ES3018308T3 - Phased nanopore array - Google Patents
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Abstract
Las técnicas descritas aquí permiten aplicar señales de CA con diferentes fases a distintos grupos de células nanoporosas en un chip sensor nanoporoso. Cuando un primer grupo de células nanoporosas se encuentra en un período de oscuridad y no es muestreado, o lo es mínimamente, por un convertidor analógico-digital (ADC) para capturar datos útiles, un segundo grupo de células nanoporosas se encuentra en un período de luz, durante el cual el convertidor analógico-digital muestrea las señales de salida de este último. El ajuste del nivel de referencia del ADC se modifica dinámicamente en función de las señales de CA aplicadas para aprovechar al máximo su rango dinámico. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)The techniques described here allow AC signals with different phases to be applied to distinct groups of nanoporous cells on a nanoporous sensor chip. When a first group of nanoporous cells is in a dark period and is not sampled, or is minimally sampled, by an analog-to-digital converter (ADC) to capture useful data, a second group of nanoporous cells is in a light period, during which the analog-to-digital converter samples the ADC's output signals. The ADC's reference level setting is dynamically modified based on the applied AC signals to take full advantage of its dynamic range. (Automatic translation with Google Translate, no legal value)
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Matriz de nanoporos en fase Phased nanopore array
AntecedentesBackground
Los dispositivos de membrana de nanoporos que tienen tamaños de poro en el orden de un nanómetro de diámetro interno han demostrado ser prometedores en la secuenciación de nucleótidos rápida. Cuando se aplica una señal de voltaje a través de un nanoporo sumergido en un fluido conductor, el campo eléctrico puede mover iones en el fluido conductor a través del nanoporo. El movimiento de iones en el fluido conductor a través del nanoporo puede provocar una pequeña corriente de iones. El voltaje aplicado también puede mover las moléculas que se van a secuenciar hacia, a través o fuera del nanoporo. El nivel de la corriente de iones (o un voltaje correspondiente) depende de los tamaños y las estructuras químicas del nanoporo y de la molécula particular que se ha movido hacia el nanoporo. Nanopore membrane devices with pore sizes on the order of one nanometer in internal diameter have shown promise in rapid nucleotide sequencing. When a voltage signal is applied across a nanopore immersed in a conducting fluid, the electric field can move ions in the conducting fluid through the nanopore. The movement of ions in the conducting fluid through the nanopore can cause a small ion current. The applied voltage can also move the molecules to be sequenced into, through, or out of the nanopore. The level of the ion current (or a corresponding voltage) depends on the size and chemical structure of the nanopore and the particular molecule that has moved into the nanopore.
Como alternativa a una molécula de ADN (u otra molécula de ácido nucleico que se va a secuenciar) que se mueve a través del nanoporo, una molécula (por ejemplo, un nucleótido que se añade a una hebra de ADN) puede incluir una marca particular de un tamaño y/o estructura particulares. La corriente de iones o un voltaje en un circuito que incluye el nanoporo (por ejemplo, en un condensador integrador) se puede medir como una forma de medir la resistencia del nanoporo correspondiente a la molécula, permitiendo, de este modo, la detección de la molécula particular en el nanoporo, y el nucleótido particular en una posición particular de un ácido nucleico. As an alternative to a DNA molecule (or other nucleic acid molecule to be sequenced) moving through the nanopore, a molecule (e.g., a nucleotide being added to a DNA strand) may include a particular label of a particular size and/or structure. An ionic current or voltage in a circuit including the nanopore (e.g., in an integrating capacitor) may be measured as a way of measuring the resistance of the nanopore corresponding to the molecule, thereby allowing detection of the particular molecule in the nanopore, and the particular nucleotide at a particular position in a nucleic acid.
Un chip sensor de secuenciación basada en nanoporos puede incorporar un gran número de celdas sensoras configuradas como una matriz para la secuenciación de ADN paralela. Por ejemplo, un chip sensor de secuenciación basada en nanoporos puede incluir 100.000 o más celdas dispuestas en una matriz bidimensional para secuenciar 100.000 o más moléculas de ADN en paralelo. Puede ser difícil ajustar tantas celdas en un chip sensor sin comprometer las mediciones. También puede ser difícil hacer funcionar eficazmente los circuitos en un chip sensor de este tipo. Se muestran ejemplos de dispositivos y procedimientos conocidos en los documentos US 2014/134616 A1, US 2017/089858 A1, US 2017/089857 A1 y US 2017/091381 A1, donde se usa una señal de CA para la secuenciación con nanoporos. A nanopore-based sequencing sensor chip may incorporate a large number of sensor cells configured as an array for parallel DNA sequencing. For example, a nanopore-based sequencing sensor chip may include 100,000 or more cells arranged in a two-dimensional array for sequencing 100,000 or more DNA molecules in parallel. It may be difficult to fit this many cells onto a sensor chip without compromising measurements. It may also be difficult to efficiently operate the circuitry on such a sensor chip. Examples of known devices and methods are shown in US 2014/134616 A1, US 2017/089858 A1, US 2017/089857 A1, and US 2017/091381 A1, where an AC signal is used for nanopore sequencing.
Breve sumarioBrief summary
Las técnicas descritas en el presente documento se refieren a aplicar señales de CA con diferentes fases a diferentes grupos de celdas de nanoporo que se atienden por un mismo circuito de muestreo de datos en un chip sensor de nanoporos. Debido a las diferentes fases de las señales de CA, durante un determinado período de tiempo, un primer grupo de celdas de nanoporo puede estar en un período oscuro y no se muestrea o se muestrea mínimamente por un circuito de muestreo de datos (por ejemplo, un convertidor de analógico a digital (ADC)) para captar datos útiles, mientras que un segundo grupo de celdas de nanoporo puede estar en un período brillante y las señales de salida del segundo grupo de celdas de nanoporo se pueden muestrear por el convertidor de analógico a digital. La configuración del nivel de referencia del ADC se puede cambiar dinámicamente en base a las señales de CA aplicadas para utilizar completamente el intervalo dinámico del ADC. Las técnicas descritas en el presente documento también se pueden aplicar a sistemas que utilizan polarización de CC que cambia periódicamente, que también pueden tener un período "oscuro" cuando se recarga el electrodo. The techniques described herein relate to applying AC signals with different phases to different groups of nanopore cells that are served by the same data sampling circuit on a nanopore sensor chip. Due to the different phases of the AC signals, over a given period of time, a first group of nanopore cells may be in a dark period and are not sampled or are minimally sampled by a data sampling circuit (e.g., an analog-to-digital converter (ADC)) to capture useful data, while a second group of nanopore cells may be in a bright period and the output signals from the second group of nanopore cells may be sampled by the analog-to-digital converter. The reference level setting of the ADC may be dynamically changed based on the applied AC signals to fully utilize the dynamic range of the ADC. The techniques described herein can also be applied to systems using periodically changing DC bias, which may also have a "dark" period when the electrode is recharged.
De acuerdo con un modo de realización, un chip sensor para secuenciación de ácidos nucleicos (por ejemplo, ADN) incluye un primer conjunto de celdas organizadas en N grupos, donde N es un número entero de dos o más. Cada celda incluye un electrodo de celda que se configura para proporcionar una señal de CA a la celda para caracterizar un nucleótido de una molécula de ácido nucleico. El chip sensor para secuenciación de ácidos nucleicos también incluye al menos N circuitos, donde cada circuito de los al menos N circuitos se configura para proporcionar una señal de CA configurable por separado a uno o más electrodos de celdas de un respectivo grupo de celdas de los N grupos de celdas, en el que los N circuitos se configuran para proporcionar señales de CA con diferentes fases a diferentes grupos de una o más celdas en los N grupos. According to one embodiment, a sensor chip for nucleic acid (e.g., DNA) sequencing includes a first set of cells organized into N groups, where N is an integer of two or more. Each cell includes a cell electrode that is configured to provide an AC signal to the cell to characterize a nucleotide of a nucleic acid molecule. The sensor chip for nucleic acid sequencing also includes at least N circuits, where each of the at least N circuits is configured to provide a separately configurable AC signal to one or more cell electrodes of a respective group of cells of the N groups of cells, wherein the N circuits are configured to provide AC signals with different phases to different groups of one or more cells in the N groups.
De acuerdo con otro ejemplo útil para entender la invención, un chip sensor para secuenciación de ácidos nucleicos incluye un conjunto de celdas. Cada celda del conjunto de celdas puede incluir un nanoporo configurado para recibir una marca conectada a un nucleótido; una membrana dentro de la que reside el nanoporo, en la que la membrana funciona como un condensador y el nanoporo como una resistencia en un circuito; un primer electrodo acoplado eléctricamente al circuito en un primer extremo de la celda; y un segundo electrodo acoplado al circuito en un segundo extremo de la celda y compartido por dos o más celdas del conjunto de celdas. El chip sensor también incluye un circuito de control configurado para aplicar una primera señal de CA a través del primer electrodo para precargar el condensador, y aplicar una segunda señal a través del segundo electrodo para cargar o descargar el condensador precargado por medio del nanoporo. According to another embodiment useful for understanding the invention, a sensor chip for nucleic acid sequencing includes an array of cells. Each cell in the array of cells may include a nanopore configured to receive a label connected to a nucleotide; a membrane within which the nanopore resides, wherein the membrane functions as a capacitor and the nanopore functions as a resistor in a circuit; a first electrode electrically coupled to the circuit at a first end of the cell; and a second electrode coupled to the circuit at a second end of the cell and shared by two or more cells in the array of cells. The sensor chip also includes a control circuit configured to apply a first AC signal across the first electrode to precharge the capacitor, and apply a second signal across the second electrode to charge or discharge the precharged capacitor via the nanopore.
De acuerdo con otro modo de realización, un procedimiento de secuenciación de ácidos nucleicos que usa un chip sensor que incluye un conjunto de celdas puede incluir aplicar una primera señal de CA a un primer grupo de celdas del conjunto de celdas, y aplicar una segunda señal de CA a un segundo grupo de celdas del conjunto de celdas, en el que la primera señal de CA y la segunda señal de CA tienen diferentes fases. El procedimiento también puede incluir, durante una primera porción de la primera señal de CA, muestrear, usando un convertidor de analógico a digital (ADC), las señales de salida del primer grupo de celdas y no muestrear las señales de salida del segundo grupo de celdas. El procedimiento puede incluir además, durante una segunda porción de la primera señal de CA, muestrear, usando el ADC, las señales de salida del segundo grupo de celdas y no muestrear las señales de salida del primer grupo de celdas. According to another embodiment, a nucleic acid sequencing method using a sensor chip including an array of cells may include applying a first AC signal to a first group of cells in the array of cells, and applying a second AC signal to a second group of cells in the array of cells, wherein the first AC signal and the second AC signal have different phases. The method may also include, during a first portion of the first AC signal, sampling, using an analog-to-digital converter (ADC), output signals from the first group of cells and not sampling output signals from the second group of cells. The method may further include, during a second portion of the first AC signal, sampling, using the ADC, output signals from the second group of cells and not sampling output signals from the first group of cells.
Estos y otros modos de realización de la invención se describen en detalle a continuación. Por ejemplo, otros modos de realización se refieren a sistemas y dispositivos asociados con los procedimientos descritos en el presente documento. These and other embodiments of the invention are described in detail below. For example, other embodiments relate to systems and devices associated with the methods described herein.
En otras palabras, la presente invención proporciona un chip sensor para secuenciación de ácidos nucleicos, comprendiendo el chip sensor un primer conjunto de celdas organizadas en N grupos, siendo N un número entero de dos o más, teniendo cada celda un electrodo de celda que se configura para proporcionar una señal de CA a la celda para caracterizar un nucleótido de una molécula de ácido nucleico; y al menos N circuitos, configurado cada circuito de los al menos N circuitos para proporcionar una señal de CA configurable por separado a uno o más electrodos de celda de un grupo respectivo de una o más celdas de los N grupos, en el que los N circuitos se configuran para proporcionar señales de CA con diferentes fases a diferentes grupos de una o más celdas en los N grupos. In other words, the present invention provides a sensor chip for nucleic acid sequencing, the sensor chip comprising a first set of cells organized into N groups, N being an integer of two or more, each cell having a cell electrode configured to provide an AC signal to the cell for characterizing a nucleotide of a nucleic acid molecule; and at least N circuits, each of the at least N circuits configured to provide a separately configurable AC signal to one or more cell electrodes of a respective group of one or more cells of the N groups, wherein the N circuits are configured to provide AC signals with different phases to different groups of one or more cells in the N groups.
Cada celda del primer conjunto de celdas puede incluir un electrodo común configurado para proporcionar una segunda señal a la celda, compartido el electrodo común por dos o más celdas del primer conjunto de celdas. Cada celda del primer conjunto de celdas puede incluir además un nanoporo situado entre el electrodo de celda y el electrodo común, en la que el nanoporo se configura para recibir una marca conectada a un nucleótido y actuar como una resistencia variable entre el electrodo de celda y el electrodo común. Cada celda del primer conjunto de celdas puede incluir además un condensador integrador acoplado al electrodo de celda; y cada circuito de los al menos N circuitos se puede configurar para precargar los condensadores integradores de un grupo respectivo de una o más celdas de los N grupos con la señal de CA. En este caso, los condensadores integradores precargados de un grupo de una o más celdas se pueden configurar para cargarse o descargarse por la segunda señal. Each cell of the first set of cells may include a common electrode configured to provide a second signal to the cell, the common electrode being shared by two or more cells of the first set of cells. Each cell of the first set of cells may further include a nanopore positioned between the cell electrode and the common electrode, wherein the nanopore is configured to receive a label connected to a nucleotide and act as a variable resistor between the cell electrode and the common electrode. Each cell of the first set of cells may further include an integrating capacitor coupled to the cell electrode; and each of the at least N circuits may be configured to precharge integrating capacitors of a respective group of one or more of the N groups with the AC signal. In this case, the precharged integrating capacitors of a group of one or more cells may be configured to be charged or discharged by the second signal.
El chip sensor también puede comprender además un circuito de muestreo acoplado al primer conjunto de celdas, en el que los N circuitos se configuran para proporcionar diferentes señales de CA a los N grupos; y el circuito de muestreo se configura para muestrear selectivamente señales de voltaje de uno o más grupos de una o más celdas de los N grupos en base a las señales de CA proporcionadas a los N grupos. Durante un primer período de tiempo, un nivel de voltaje de la señal de CA proporcionada a uno o más electrodos de celda de un primer grupo de una o más celdas de los N grupos puede ser mayor que un nivel de voltaje de la segunda señal proporcionada a los electrodos comunes del primer grupo de una o más celdas; un nivel de voltaje de la señal de CA proporcionada a uno o más electrodos de celda de un segundo grupo de una o más celdas de los N grupos puede ser menor que un nivel de voltaje de la segunda señal proporcionada a los electrodos comunes del segundo grupo de una o más celdas; y el circuito de muestreo se puede configurar para muestrear señales de voltaje del primer grupo de una o más celdas o bien del segundo grupo de una o más celdas, pero no de ambos. Durante un segundo período de tiempo, un nivel de voltaje de la señal de CA proporcionada a uno o más electrodos de celda de un primer grupo de una o más celdas de los N grupos puede ser mayor que un nivel de voltaje de la segunda señal proporcionada a los electrodos comunes del primer grupo de una o más celdas; un nivel de voltaje de la señal de C<a>proporcionada a uno o más electrodos de celda de un segundo grupo de una o más celdas de los N grupos puede ser mayor que un nivel de voltaje de la segunda señal proporcionada a los electrodos comunes del segundo grupo de una o más celdas; y el circuito de muestreo se puede configurar para realizar uno de: muestrear las señales de voltaje del primer grupo de una o más celdas, pero no del segundo grupo de una o más celdas, a una primera tasa de muestreo; muestrear las señales de voltaje del segundo grupo de una o más celdas, pero no del primer grupo de una o más celdas, a la primera tasa de muestreo; y muestrear las señales de voltaje del primer grupo de una o más celdas a una segunda tasa de muestreo y muestrear las señales de voltaje del segundo grupo de una o más celdas a una tercera tasa de muestreo, en el que las segunda y tercera tasas de muestreo son menores que la primera tasa de muestreo. El circuito de muestreo también puede incluir un convertidor de analógico a digital (ADC); y el circuito de muestreo se puede configurar para cambiar dinámicamente una configuración del nivel de referencia para el ADC en base a las diferentes señales de CA proporcionadas a los N grupos. The sensor chip may also further comprise a sampling circuit coupled to the first set of cells, wherein the N circuits are configured to provide different AC signals to the N groups; and the sampling circuit is configured to selectively sample voltage signals from one or more groups of one or more cells of the N groups based on the AC signals provided to the N groups. During a first period of time, a voltage level of the AC signal provided to one or more cell electrodes of a first group of one or more cells of the N groups may be greater than a voltage level of the second signal provided to common electrodes of the first group of one or more cells; a voltage level of the AC signal provided to one or more cell electrodes of a second group of one or more cells of the N groups may be lower than a voltage level of the second signal provided to common electrodes of the second group of one or more cells; and the sampling circuit may be configured to sample voltage signals from either the first group of one or more cells or the second group of one or more cells, but not both. During a second time period, a voltage level of the AC signal provided to one or more cell electrodes of a first group of one or more cells of the N groups may be greater than a voltage level of the second signal provided to common electrodes of the first group of one or more cells; a voltage level of the AC signal provided to one or more cell electrodes of a second group of one or more cells of the N groups may be greater than a voltage level of the second signal provided to common electrodes of the second group of one or more cells; and the sampling circuit may be configured to perform one of: sampling the voltage signals of the first group of one or more cells, but not the second group of one or more cells, at a first sampling rate; sampling voltage signals from the second group of one or more cells, but not from the first group of one or more cells, at the first sampling rate; and sampling voltage signals from the first group of one or more cells at a second sampling rate and sampling voltage signals from the second group of one or more cells at a third sampling rate, wherein the second and third sampling rates are less than the first sampling rate. The sampling circuit may also include an analog-to-digital converter (ADC); and the sampling circuit may be configured to dynamically change a reference level setting for the ADC based on the different AC signals provided to the N groups.
La señal de CA del chip sensor puede ser una onda rectangular y puede tener un ciclo de trabajo igual a o menor que un 50 %. La segunda señal puede ser una segunda señal de CA con una frecuencia menor que una frecuencia de la señal de CA o puede ser una señal de CC. Los N circuitos se pueden configurar para proporcionar señales de CA con diferentes fases a diferentes grupos de una o más celdas en los N grupos. The AC signal from the sensor chip may be a rectangular wave and may have a duty cycle equal to or less than 50%. The second signal may be a second AC signal with a frequency lower than a frequency of the AC signal or may be a DC signal. The N circuits may be configured to provide AC signals with different phases to different groups of one or more cells in the N groups.
El chip sensor puede comprender además un segundo conjunto de celdas organizadas en N grupos, teniendo cada celda del segundo conjunto de celdas un electrodo de celda que se configura para proporcionar una señal de CA a la celda para caracterizar un nucleótido de una molécula de ácido nucleico, en el que cada circuito de los al menos N circuitos se configura para proporcionar una señal de CA configurable por separado a uno o más electrodos de celda de un grupo respectivo de los N grupos del primer conjunto de celdas y a uno o más electrodos de celda de un grupo respectivo de los N grupos del segundo conjunto de celdas. Además, el chip sensor puede comprender además un primer circuito de muestreo acoplado al primer conjunto de celdas y configurado para muestrear selectivamente señales de voltaje de uno o más grupos de los N grupos del primer conjunto de celdas; y un segundo circuito de muestreo acoplado al segundo conjunto de celdas y configurado para muestrear selectivamente señales de voltaje de uno o más grupos de los N grupos del segundo conjunto de celdas. The sensor chip may further comprise a second set of cells arranged in N groups, each cell of the second set of cells having a cell electrode configured to provide an AC signal to the cell for characterizing a nucleotide of a nucleic acid molecule, wherein each circuit of the at least N circuits is configured to provide a separately configurable AC signal to one or more cell electrodes of a respective group of the N groups of the first set of cells and to one or more cell electrodes of a respective group of the N groups of the second set of cells. In addition, the sensor chip may further comprise a first sampling circuit coupled to the first set of cells and configured to selectively sample voltage signals from one or more groups of the N groups of the first set of cells; and a second sampling circuit coupled to the second set of cells and configured to selectively sample voltage signals from one or more groups of the N groups of the second set of cells.
El chip sensor también puede comprender dos o más canales fluídicos, en el que las celdas en diferentes canales fluídicos se organizan en diferentes grupos de los N grupos. Cada circuito de los al menos N circuitos puede incluir un conmutador, estando configurado el conmutador para conectar de forma alterna un electrodo de celda a dos niveles de voltaje; y estando controlado cada conmutador por una señal de control de CA. Cada uno de los N grupos puede incluir al menos una celda. The sensor chip may also comprise two or more fluidic channels, wherein the cells in different fluidic channels are arranged in different groups of the N groups. Each circuit of the at least N circuits may include a switch, the switch configured to alternately connect a cell electrode to two voltage levels; and each switch is controlled by an AC control signal. Each of the N groups may include at least one cell.
Cada celda del primer conjunto de celdas puede incluir un conmutador, estando configurado el conmutador para conectar de forma alterna un electrodo de celda a dos niveles de voltaje; estando controlado cada conmutador por una señal de control de CA; en la que cada circuito de los al menos N circuitos incluye uno o más conmutadores de las una o más celdas en el grupo respectivo; y los uno o más conmutadores de las una o más celdas en el grupo respectivo reciben una misma señal de control de CA. Each cell of the first set of cells may include a switch, the switch configured to alternately connect a cell electrode to two voltage levels; each switch being controlled by an AC control signal; wherein each circuit of the at least N circuits includes one or more switches of the one or more cells in the respective group; and the one or more switches of the one or more cells in the respective group receive a same AC control signal.
La presente invención también proporciona un chip sensor para secuenciación de ácidos nucleicos que comprende un primer conjunto de celdas organizadas en N grupos, siendo N un número entero de dos o más, teniendo cada celda un electrodo de celda que se configura para proporcionar una señal de CA a la celda para caracterizar un nucleótido de una molécula de ácido nucleico; un convertidor de analógico a digital (ADC) acoplado al primer conjunto de celdas y configurado para convertir las señales de salida del primer conjunto de celdas; y un circuito de control configurado para aplicar una primera señal de CA a un primer grupo de celdas de los N grupos de celdas; aplicar una segunda señal de CA a un segundo grupo de celdas de los N grupos de celdas, en el que la primera señal de CA y la segunda señal de CA tienen diferentes fases; y durante una primera porción de la primera señal de CA, provocar que el ADC convierta las señales de salida del primer grupo de celdas y no convierta las señales de salida del segundo grupo de celdas. The present invention also provides a sensor chip for nucleic acid sequencing comprising a first set of cells organized into N groups, N being an integer of two or more, each cell having a cell electrode configured to provide an AC signal to the cell for characterizing a nucleotide of a nucleic acid molecule; an analog-to-digital converter (ADC) coupled to the first set of cells and configured to convert output signals from the first set of cells; and a control circuit configured to apply a first AC signal to a first group of cells of the N cell groups; apply a second AC signal to a second group of cells of the N cell groups, wherein the first AC signal and the second AC signal have different phases; and during a first portion of the first AC signal, causing the ADC to convert output signals from the first group of cells and not convert output signals from the second group of cells.
La presente invención también proporciona un procedimiento de secuenciación de ácidos nucleicos que usa un chip sensor que incluye un conjunto de celdas, comprendiendo el procedimiento aplicar una primera señal de CA a un primer grupo de celdas del conjunto de celdas; aplicar una segunda señal de CA a un segundo grupo de celdas del conjunto de celdas, en el que la primera señal de CA y la segunda señal de CA tienen diferentes fases; durante una primera porción de la primera señal de CA, muestrear, usando un convertidor de analógico a digital (ADC), las señales de salida del primer grupo de celdas y no muestrear las señales de salida del segundo grupo de celdas; y durante una segunda porción de la primera señal de CA, muestrear, usando el ADC, las señales de salida del segundo grupo de celdas y no muestrear las señales de salida del primer grupo de celdas. The present invention also provides a nucleic acid sequencing method using a sensor chip including an array of cells, the method comprising applying a first AC signal to a first group of cells of the array of cells; applying a second AC signal to a second group of cells of the array of cells, wherein the first AC signal and the second AC signal have different phases; during a first portion of the first AC signal, sampling, using an analog-to-digital converter (ADC), output signals from the first group of cells and not sampling output signals from the second group of cells; and during a second portion of the first AC signal, sampling, using the ADC, output signals from the second group of cells and not sampling output signals from the first group of cells.
Aplicar la primera señal de CA al primer grupo de celdas del conjunto de celdas puede comprender aplicar la primera señal de CA a un electrodo de celda de cada celda del primer grupo de celdas; y aplicar la segunda señal de CA al segundo grupo de celdas del conjunto de celdas puede comprender aplicar la segunda señal de CA a un electrodo de celda de cada celda del segundo grupo de celdas. Applying the first AC signal to the first group of cells in the cell array may comprise applying the first AC signal to a cell electrode of each cell in the first group of cells; and applying the second AC signal to the second group of cells in the cell array may comprise applying the second AC signal to a cell electrode of each cell in the second group of cells.
El procedimiento puede comprender además aplicar una señal común a un electrodo común compartido por el conjunto de celdas, en el que la señal común es una señal de CC o una tercera señal de CA que tiene una frecuencia menor que una frecuencia de la primera señal de CA y una frecuencia de la segunda señal de CA. Además, el procedimiento puede comprender además, durante una tercera porción de la primera señal de CA, muestrear, usando el ADC, señales de salida tanto del segundo grupo de celdas como del primer grupo de celdas. Además, se puede cambiar una configuración del nivel de referencia para el ADC en base a la primera señal de CA y la segunda señal de CA. The method may further comprise applying a common signal to a common electrode shared by the set of cells, wherein the common signal is a DC signal or a third AC signal having a frequency lower than a frequency of the first AC signal and a frequency of the second AC signal. In addition, the method may further comprise, during a third portion of the first AC signal, sampling, using the ADC, output signals from both the second group of cells and the first group of cells. In addition, a reference level setting for the ADC may be changed based on the first AC signal and the second AC signal.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
La FIG. 1 es una vista superior de un modo de realización de un chip sensor de nanoporos que tiene una matriz de celdas de nanoporo. FIG. 1 is a top view of an embodiment of a nanopore sensor chip having an array of nanopore cells.
La FIG. 2 ilustra un modo de realización de una celda de nanoporo en un chip sensor de nanoporos que se puede usar para caracterizar un polinucleótido o un polipéptido. FIG. 2 illustrates one embodiment of a nanopore cell in a nanopore sensor chip that can be used to characterize a polynucleotide or a polypeptide.
La FIG. 3 ilustra un modo de realización de una celda de nanoporo que realiza la secuenciación de nucleótidos usando una técnica de secuenciación por síntesis basada en nanoporos (Nano-SBS). FIG. 3 illustrates an embodiment of a nanopore cell that performs nucleotide sequencing using a nanopore-based sequencing-by-synthesis (Nano-SBS) technique.
La FIG. 4 ilustra un modo de realización de un circuito eléctrico en una celda de nanoporo. FIG. 4 illustrates an embodiment of an electrical circuit in a nanopore cell.
La FIG. 5 muestra puntos de datos de ejemplo captados de una celda de nanoporo durante períodos brillantes y períodos oscuros de ciclos de CA. FIG. 5 shows example data points captured from a nanopore cell during bright and dark periods of AC cycles.
La FIG. 6 es una vista en sección transversal de una matriz de celdas de nanoporo en un chip sensor de nanoporos de ejemplo. FIG. 6 is a cross-sectional view of a nanopore cell array in an exemplary nanopore sensor chip.
La FIG. 7 es una vista superior de una matriz de celdas de nanoporo de ejemplo que incluye una matriz bidimensional de celdas de nanoporo. FIG. 7 is a top view of an exemplary nanopore cell array including a two-dimensional array of nanopore cells.
La FIG. 8 es un esquema de una matriz de celdas de nanoporo de ejemplo que incluye una matriz bidimensional de celdas de nanoporo. FIG. 8 is a schematic of an exemplary nanopore cell array including a two-dimensional array of nanopore cells.
La FIG. 9 ilustra muestras de datos de ejemplo captadas de celdas de nanoporo en una columna de una matriz de celdas de nanoporo. FIG. 9 illustrates example data samples captured from nanopore cells in a column of a nanopore cell array.
La FIG. 10 es un esquema de una matriz de celdas de nanoporo de ejemplo que incluye una matriz bidimensional de celdas de nanoporo, de acuerdo con determinados aspectos de la presente divulgación. FIG. 10 is a schematic of an exemplary nanopore cell array including a two-dimensional array of nanopore cells, in accordance with certain aspects of the present disclosure.
La FIG. 11 ilustra señales de control de ejemplo para una matriz de celdas de nanoporo, de acuerdo con determinados aspectos de la presente divulgación. FIG. 11 illustrates example control signals for a nanopore cell array, in accordance with certain aspects of the present disclosure.
La FIG. 12 ilustra muestras de datos de ejemplo captadas de celdas de nanoporo en una columna de una matriz de celdas de nanoporo, de acuerdo con determinados aspectos de la presente divulgación. FIG. 12 illustrates example data samples captured from nanopore cells in a column of a nanopore cell array, in accordance with certain aspects of the present disclosure.
La FIG. 13 muestra señales de control de ejemplo para una matriz de celdas de nanoporo, de acuerdo con determinados aspectos de la presente divulgación. FIG. 13 shows example control signals for a nanopore cell array, in accordance with certain aspects of the present disclosure.
La FIG. 14A muestra niveles de referencia fijos para un ADC en un chip sensor de nanoporos, de acuerdo con determinados aspectos de la presente divulgación. FIG. 14A shows fixed reference levels for an ADC on a nanopore sensor chip, in accordance with certain aspects of the present disclosure.
La FIG. 14B ilustra niveles de referencia variables para un ADC en un chip sensor de nanoporos, de acuerdo con determinados aspectos de la presente divulgación. FIG. 14B illustrates variable reference levels for an ADC on a nanopore sensor chip, in accordance with certain aspects of the present disclosure.
La FIG. 15 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento de ejemplo de secuenciación de ácidos nucleicos usando un sensor que incluye un conjunto de celdas, de acuerdo con determinados aspectos de la presente divulgación. FIG. 15 is a flow diagram illustrating an exemplary method of nucleic acid sequencing using a sensor including a cell array, in accordance with certain aspects of the present disclosure.
La FIG. 16 es un diagrama de bloques de un sistema informático de ejemplo utilizable con un sistema y procedimientos, que es útil para entender la invención. FIG. 16 is a block diagram of an example computer system usable with a system and methods, which is useful for understanding the invention.
DefinicionesDefinitions
"Ácido nucleico"se puede referir a desoxirribonucleótidos o ribonucleótidos y polímeros de los mismos en forma monocatenaria o bien bicatenaria. El término puede englobar ácidos nucleicos que contienen análogos nucleotídicos conocidos o residuos o enlaces de cadena principal modificados, que son sintéticos, naturales y no naturales, que tienen propiedades de unión similares a las del ácido nucleico de referencia, y que se metabolizan de forma similar a los nucleótidos de referencia. Los ejemplos de dichos análogos pueden incluir, sin limitación, fosforotioatos, fosforamiditas, metilfosfonatos, metilfosfonatos quirales, 2-O-metilrribonucleótidos, ácidos peptidonucleicos (PNA). El término ácido nucleico se puede usar de manera intercambiable con gen, ADNc, ARNm, oligonucleótido y polinucleótido. "Nucleic acid" may refer to deoxyribonucleotides or ribonucleotides and polymers thereof in either single-stranded or double-stranded form. The term may encompass nucleic acids that contain known nucleotide analogs or modified backbone residues or linkages, that are synthetic, natural, and non-natural, that have binding properties similar to the reference nucleic acid, and that are metabolized similarly to the reference nucleotides. Examples of such analogs may include, but are not limited to, phosphorothioates, phosphoramidites, methylphosphonates, chiral methylphosphonates, 2-O-methylribonucleotides, peptidonucleic acids (PNAs). The term nucleic acid may be used interchangeably with gene, cDNA, mRNA, oligonucleotide, and polynucleotide.
El término"molde"se puede referir a una molécula de ácido nucleico monocatenaria que se copia en una hebra complementaria de nucleótidos de ADN para la síntesis de ADN. En algunos casos, un molde se puede referir a la secuencia de ADN que se copia durante la síntesis de ARNm. The term "template" can refer to a single-stranded nucleic acid molecule that is copied onto a complementary strand of DNA nucleotides for DNA synthesis. In some cases, a template can refer to the DNA sequence that is copied during mRNA synthesis.
El término"cebador'se puede referir a una secuencia de ácido nucleico corta que proporciona un punto de partida para la síntesis de ADN. Las enzimas que catalizan la síntesis de ADN, tales como ADN polimerasas, pueden añadir nuevos nucleótidos a un cebador para la replicación de ADN. The term "primer" can refer to a short nucleic acid sequence that provides a starting point for DNA synthesis. Enzymes that catalyze DNA synthesis, such as DNA polymerases, can add new nucleotides to a primer for DNA replication.
Como se usa en el presente documento, el término"columna"se puede referir, en general, a celdas de nanoporo en una matriz de celdas de nanoporo que comparten un circuito de muestreo y conversión. Las celdas de nanoporo en una columna se pueden fabricar o no físicamente en una columna sobre un chip sensor de nanoporosos. Como se usa en el presente documento, el término"período brillante"se puede referir, en general, al período de tiempo cuando una marca de un nucleótido marcado se fuerza hacia un nanoporo por un campo eléctrico aplicado a través de una señal de CA. El término"período oscuro"se puede referir, en general, al período de tiempo cuando una marca de un nucleótido marcado se expulsa del nanoporo por el campo eléctrico aplicado a través de la señal de CA. Un ciclo de CA puede incluir el período brillante y el período oscuro. En diferentes modos de realización, la polaridad de la señal de voltaje aplicada a una celda de nanoporo para poner la celda de nanoporo en el período brillante (o en el período oscuro) puede ser diferente. As used herein, the term "column" may generally refer to nanopore cells in a nanopore cell array that share a sampling and conversion circuit. The nanopore cells in a column may or may not be physically fabricated into a column on a nanoporous sensor chip. As used herein, the term "bright period" may generally refer to the period of time when a labeled nucleotide tag is forced into a nanopore by an electric field applied via an AC signal. The term "dark period" may generally refer to the period of time when a labeled nucleotide tag is forced out of the nanopore by the electric field applied via the AC signal. An AC cycle may include both the bright period and the dark period. In different embodiments, the polarity of the voltage signal applied to a nanopore cell to put the nanopore cell into the bright period (or the dark period) may be different.
Descripción detalladaDetailed description
Las técnicas divulgadas en el presente documento se refieren a la secuenciación de ácidos nucleicos basada en nanoporos y, más específicamente, a incrementar la tasa de muestreo de datos por un chip sensor de secuenciación basada en nanoporos que incluye un gran número de celdas de nanoporo de secuenciación paralela. The techniques disclosed herein relate to nanopore-based nucleic acid sequencing and, more specifically, to increasing the data sampling rate by a nanopore-based sequencing sensor chip that includes a large number of parallel sequencing nanopore cells.
En la secuenciación por síntesis basada en nanoporos (Nano-SBS), en general, se desean tasas de muestreo mayores porque, por ejemplo, una tasa de muestreo mayor permite la observación de acontecimientos que tienen duraciones más cortas, lo que puede incrementar la exactitud para la llamada de bases. Los ejemplos de dichos acontecimientos pueden incluir una marca de nucleótido no unido que entra brevemente al nanoporo, uniéndose brevemente el nucleótido pero sin catalizarse, y catalizándose rápidamente un nucleótido (potencialmente seguido del mismo nucleótido que se cataliza en la siguiente posición). Sin embargo, existe un límite superior para la tasa de muestreo posible debido, por ejemplo, a la velocidad limitada de muestreo y conversión de los convertidores de analógico a digital, y/o al ancho de banda limitado de los buses, dispositivos de almacenamiento de datos o circuitos de procesamiento de datos. In nanopore-based sequencing-by-synthesis (Nano-SBS), higher sampling rates are generally desired because, for example, a higher sampling rate allows the observation of events that have shorter durations, which can increase the accuracy for base calling. Examples of such events might include an unbound nucleotide label briefly entering the nanopore, the nucleotide briefly binding but not being catalyzed, and a nucleotide being rapidly catalyzed (potentially followed by the same nucleotide being catalyzed at the next position). However, there is an upper limit to the possible sampling rate due to, for example, the limited sampling and conversion speed of analog-to-digital converters, and/or the limited bandwidth of buses, data storage devices, or data processing circuitry.
Las señales de CA se pueden usar en Nano-SBS para mejorar la vida útil de un chip sensor de nanoporos que incluye una matriz de celdas de nanoporo. Por ejemplo, se puede aplicar un nivel constante al electrodo de trabajo de cada celda de nanoporo en el chip sensor de nanoporos, y se puede aplicar una señal de CA universal a un contraelectrodo compartido de las celdas de nanoporo. En este ejemplo, cada celda de nanoporo pasa por los ciclos de CA sustancialmente en la misma fase. Cada ciclo de CA puede incluir un período brillante (se puede introducir una marca en un nanoporo para identificar un nucleótido) y un período oscuro, donde el ciclo de trabajo puede ser bajo (es decir, el período oscuro puede ser mucho más largo que el período brillante). Por tanto, todas las celdas de nanoporo del chip sensor de nanoporos estarían en el período brillante o en el período oscuro aproximadamente al mismo tiempo. AC signals can be used in Nano-SBS to improve the lifetime of a nanopore sensor chip that includes an array of nanopore cells. For example, a constant level can be applied to the working electrode of each nanopore cell in the nanopore sensor chip, and a universal AC signal can be applied to a shared counter electrode of the nanopore cells. In this example, each nanopore cell cycles through the AC signals at substantially the same time. Each AC cycle can include a bright period (a label can be introduced into a nanopore to identify a nucleotide) and a dark period, where the duty cycle can be low (i.e., the dark period can be much longer than the bright period). Thus, all nanopore cells in the nanopore sensor chip would be in either the bright period or the dark period at approximately the same time.
Durante el período brillante, un circuito de muestreo y conversión de datos asociado con celdas de nanoporo en una columna puede muestrear y convertir secuencialmente las señales de voltaje de salida de cada celda de nanoporo en la columna, como parte de la identificación de una marca y, en consecuencia, de un nucleótido que se incorpora. La señal de CA atrae (hace pasar) una marca de nucleótido unido hacia el nanoporo en el período brillante y, por tanto, las señales medidas proporcionan información sobre qué marca (y, por tanto, qué nucleótido) está unido actualmente. Durante el período oscuro (cualquier marca de nucleótido se expulsa del nanoporo), la información sobre cualquier marca de nucleótido en el nanoporo no se puede obtener y, por tanto, las señales de voltaje de salida de las celdas tienen poco o ningún uso. Sin embargo, durante el período oscuro, las señales de voltaje de salida de las celdas todavía se pueden muestrear y convertir de todos modos, o el circuito de muestreo y conversión de datos puede estar inactivo. Por tanto, es posible que una porción significativa del ancho de banda del circuito de muestreo y conversión de datos no se utilice para captar datos útiles, al menos durante el período oscuro. During the bright period, a sampling and data conversion circuit associated with nanopore cells in a column may sequentially sample and convert the output voltage signals of each nanopore cell in the column, as part of identifying a tag and, consequently, a nucleotide being incorporated. The AC signal attracts (pulls) a bound nucleotide tag toward the nanopore in the bright period, and thus the measured signals provide information about which tag (and, therefore, which nucleotide) is currently bound. During the dark period (any nucleotide tag is ejected from the nanopore), information about any nucleotide tags in the nanopore cannot be obtained, and thus the output voltage signals from the cells are of little or no use. However, during the dark period, the output voltage signals from the cells may still be sampled and converted anyway, or the sampling and data conversion circuit may be inactive. Therefore, a significant portion of the sampling and data conversion circuit bandwidth may not be used to capture useful data, at least during the dark period.
Además, para los chips sensores de nanoporos con una alta densidad de celdas, un único circuito de muestreo y conversión puede dar servicio a múltiples celdas. Por tanto, cada celda se puede muestrear a una tasa mucho menor que la tasa de muestreo completa del circuito de muestreo y conversión. Furthermore, for nanopore sensor chips with a high cell density, a single sampling and conversion circuit can serve multiple cells. Therefore, each cell can be sampled at a much lower rate than the full sampling rate of the sampling and conversion circuit.
Las técnicas divulgadas en el presente documento abordan los problemas anteriores aplicando señales de CA con diferentes fases a diferentes celdas de nanoporo en una columna, de modo que, cuando algunas celdas de nanoporo en la columna están en el período oscuro, algunas otras celdas de nanoporo en la misma columna están en el período brillante. Por ejemplo, las celdas de nanoporo de una columna se pueden organizar en dos o más grupos. Se puede aplicar un nivel de voltaje constante a los contraelectrodos de todas las celdas de nanoporo, y la fase de una señal de CA aplicada a los electrodos de trabajo de las celdas de nanoporo en cada grupo de celdas de nanoporo se puede retrasar en un valor diferente. The techniques disclosed herein address the above problems by applying AC signals with different phases to different nanopore cells in a column, such that when some nanopore cells in the column are in the dark period, some other nanopore cells in the same column are in the bright period. For example, the nanopore cells in a column can be arranged in two or more groups. A constant voltage level can be applied to the counter electrodes of all nanopore cells, and the phase of an AC signal applied to the working electrodes of the nanopore cells in each group of nanopore cells can be delayed by a different value.
De esta manera, en cualquier momento dado, el circuito de muestreo y conversión de datos puede muestrear y convertir las señales de voltaje de salida de la porción de las celdas de nanoporo en la columna que están en el período brillante, mientras que el período oscuro se muestrea mínimamente, por ejemplo, solo para propósitos de normalización. Como tal, el muestreo y la conversión de datos se pueden realizar a una tasa mayor para cada celda de nanoporo durante el período brillante, puesto que el circuito da servicio a menos celdas en un momento dado. Además, debido a que el período oscuro solo se muestrea mínimamente, todos o casi todos los datos captados serían útiles, a diferencia del caso donde el período oscuro se muestrea a una tasa innecesariamente alta. De esta manera, los modos de realización pueden reducir el número de celdas a las que se da servicio por el circuito de muestreo y conversión en cualquier período de tiempo y, por tanto, incrementar la tasa de muestreo por celda incluso sin usar un circuito de muestreo y conversión de datos más rápido. In this way, at any given time, the sampling and data conversion circuit can sample and convert the output voltage signals from the portion of the nanopore cells in the column that are in the bright period, while the dark period is minimally sampled, e.g., only for normalization purposes. As such, the sampling and data conversion can be performed at a higher rate for each nanopore cell during the bright period, since the circuit services fewer cells at any given time. Furthermore, because the dark period is only minimally sampled, all or nearly all of the captured data would be useful, unlike the case where the dark period is sampled at an unnecessarily high rate. In this way, embodiments can reduce the number of cells served by the sampling and conversion circuit in any given time period and thus increase the sampling rate per cell even without using a faster sampling and data conversion circuit.
I. Chip de secuenciación basada en nanoporosI. Nanopore-based sequencing chip
La FIG. 1 es una vista superior de un modo de realización de un chip sensor de nanoporos 100 que tiene una matriz 140 de celdas de nanoporo 150. Cada celda de nanoporo 150 incluye un circuito de control integrado en un sustrato de silicio del chip sensor de nanoporos 100. En algunos modos de realización, se pueden incluir paredes laterales 136 en la matriz 140 para separar grupos de celdas de nanoporo 150 de modo que cada grupo puede recibir una muestra diferente para su caracterización. Cada celda de nanoporo se puede usar para secuenciar un ácido nucleico. En algunos modos de realización, el chip sensor de nanoporos 100 puede incluir una placa de cubierta 130. En algunos modos de realización, el chip sensor de nanoporos 100 también puede incluir una pluralidad de clavijas 110 para interactuar con otros circuitos, tales como un procesador de ordenador. FIG. 1 is a top view of one embodiment of a nanopore sensor chip 100 having an array 140 of nanopore cells 150. Each nanopore cell 150 includes control circuitry integrated into a silicon substrate of the nanopore sensor chip 100. In some embodiments, sidewalls 136 may be included in the array 140 to separate groups of nanopore cells 150 so that each group may receive a different sample for characterization. Each nanopore cell may be used to sequence a nucleic acid. In some embodiments, the nanopore sensor chip 100 may include a cover plate 130. In some embodiments, the nanopore sensor chip 100 may also include a plurality of pins 110 for interfacing with other circuitry, such as a computer processor.
En algunos modos de realización, el chip sensor de nanoporos 100 puede incluir múltiples chips en un mismo paquete, tales como, por ejemplo, un módulo multichip (m Cm ) o un sistema en paquete (SiP). Los chips pueden incluir, por ejemplo, una memoria, un procesador, una matriz de puertas programables en campo (Fp Ga ), un circuito integrado específico de la aplicación (ASIC), convertidores de datos, una interfaz de E/S de alta velocidad, etc. In some embodiments, the nanopore sensor chip 100 may include multiple chips in a single package, such as, for example, a multi-chip module (mCm) or a system-in-package (SiP). The chips may include, for example, a memory, a processor, a field-programmable gate array (FpGa), an application-specific integrated circuit (ASIC), data converters, a high-speed I/O interface, etc.
En algunos modos de realización, el chip sensor de nanoporos 100 se puede acoplar a (por ejemplo, unir a) una estación de trabajo de nanochip 120, que puede incluir diversos componentes para llevar a cabo (por ejemplo, llevar a cabo automáticamente) diversos modos de realización de los procedimientos divulgados en el presente documento, incluyendo, por ejemplo, mecanismos de suministro de analito, tales como pipetas para suministrar suspensión de lípidos u otra suspensión de estructura de membrana, solución de analito y/u otros líquidos, suspensiones o sólidos, brazos robóticos, procesador de ordenador y/o memoria. Se puede detectar una pluralidad de polinucleótidos en la matriz 140 de celdas de nanoporo 150. En algunos modos de realización, cada celda de nanoporo 150 puede ser abordable individualmente. In some embodiments, the nanopore sensor chip 100 may be coupled to (e.g., attached to) a nanochip workstation 120, which may include various components for performing (e.g., automatically performing) various embodiments of the methods disclosed herein, including, for example, analyte delivery mechanisms, such as pipettes for delivering lipid suspension or other membrane structure suspension, analyte solution and/or other liquids, suspensions or solids, robotic arms, computer processor and/or memory. A plurality of polynucleotides may be detected within the array 140 of nanopore cells 150. In some embodiments, each nanopore cell 150 may be individually addressable.
II. Celda de secuenciación con nanoporosII. Nanopore sequencing cell
Las celdas de nanoporo 150 en el chip sensor de nanoporos 100 se pueden implementar de muchas maneras diferentes. Por ejemplo, en algunos modos de realización, se pueden fijar marcas de diferentes tamaños y/o estructuras químicas a diferentes nucleótidos en una molécula de ácido nucleico que se va a secuenciar. En algunos modos de realización, se puede sintetizar una hebra complementaria a un molde de la molécula de ácido nucleico que se va a secuenciar hibridando nucleótidos marcados con polímeros de forma diferente con el molde. En algunas implementaciones, la molécula de ácido nucleico y las marcas fijadas se pueden mover ambas a través del nanoporo, y una corriente de iones que pasa a través del nanoporo puede indicar el nucleótido que está en el nanoporo debido al tamaño y/o estructura particulares de la marca fijada al nucleótido. En algunas implementaciones, solo las marcas se pueden mover hacia el nanoporo. También puede haber muchas maneras diferentes de detectar las diferentes marcas en los nanoporos. The nanopore cells 150 in the nanopore sensor chip 100 can be implemented in many different ways. For example, in some embodiments, labels of different sizes and/or chemical structures can be affixed to different nucleotides in a nucleic acid molecule to be sequenced. In some embodiments, a strand complementary to a template of the nucleic acid molecule to be sequenced can be synthesized by hybridizing differently shaped polymer-labeled nucleotides to the template. In some implementations, the nucleic acid molecule and the affixed labels can both move through the nanopore, and a stream of ions passing through the nanopore can indicate the nucleotide that is in the nanopore due to the particular size and/or structure of the label affixed to the nucleotide. In some implementations, only the labels can move into the nanopore. There can also be many different ways to detect the different labels in the nanopores.
A. Estructura de celda de secuenciación con nanoporos A. Nanopore sequencing cell structure
La FIG. 2 ilustra un modo de realización de una celda de nanoporo 200 de ejemplo en un chip sensor de nanoporos, tal como la celda de nanoporo 150 en el chip sensor de nanoporos 100 de la FIG. 1, que se puede usar para caracterizar un polinucleótido o un polipéptido. La celda de nanoporo 200 puede incluir un pocillo 205 formado por capas dieléctricas 201 y 204; una membrana, tal como una bicapa lipídica 214 formada sobre el pocillo 205; y una cámara de muestra 215 sobre la bicapa lipídica 214 y separada del pocillo 205 por la bicapa lipídica 214. El pocillo 205 puede contener un volumen de electrólito 206, y la cámara de muestra 215 puede contener electrólito a granel 208 que contiene un nanoporo, por ejemplo, un complejo molecular transmembranario de nanoporo de proteína soluble (PNTMC), y el analito de interés (por ejemplo, una molécula de ácido nucleico que se va a secuenciar). FIG. 2 illustrates an embodiment of an exemplary nanopore cell 200 in a nanopore sensor chip, such as the nanopore cell 150 in the nanopore sensor chip 100 of FIG. 1 , which may be used to characterize a polynucleotide or a polypeptide. The nanopore cell 200 may include a well 205 formed by dielectric layers 201 and 204; a membrane, such as a lipid bilayer 214 formed over the well 205; and a sample chamber 215 above the lipid bilayer 214 and separated from the well 205 by the lipid bilayer 214. The well 205 may contain a volume of electrolyte 206, and the sample chamber 215 may contain bulk electrolyte 208 containing a nanopore, e.g., a soluble protein nanopore transmembrane molecular complex (PNTMC), and the analyte of interest (e.g., a nucleic acid molecule to be sequenced).
La celda de nanoporo 200 puede incluir un electrodo de trabajo 202 en el fondo del pocillo 205 y un contraelectrodo 210 dispuesto en la cámara de muestra 215. Una fuente de señales 228 puede aplicar una señal de voltaje entre el electrodo de trabajo 202 y el contraelectrodo 210. Se puede insertar un único nanoporo (por ejemplo, un PNTMC) en la bicapa lipídica 214 por un procedimiento de electroporación provocado por la señal de voltaje, formando, de este modo, un nanoporo 216 en la bicapa lipídica 214. Las membranas individuales (por ejemplo, bicapas lipídicas 214 u otras estructuras de membrana) en la matriz no pueden estar conectadas entre sí ni química ni eléctricamente. Por tanto, cada celda de nanoporo en la matriz puede ser un aparato de secuenciación independiente, que produce datos únicos para la molécula de polímero individual asociada con el nanoporo que actúa sobre el analito de interés y modula la corriente iónica a través de la bicapa lipídica de otro modo impermeable. The nanopore cell 200 may include a working electrode 202 at the bottom of the well 205 and a counter electrode 210 disposed in the sample chamber 215. A signal source 228 may apply a voltage signal between the working electrode 202 and the counter electrode 210. A single nanopore (e.g., a PNTMC) may be inserted into the lipid bilayer 214 by an electroporation process driven by the voltage signal, thereby forming a nanopore 216 in the lipid bilayer 214. Individual membranes (e.g., lipid bilayers 214 or other membrane structures) in the array may not be chemically or electrically connected to each other. Thus, each nanopore cell in the array can be an independent sequencing device, producing unique data for the individual polymer molecule associated with the nanopore that acts on the analyte of interest and modulates the ionic current across the otherwise impermeable lipid bilayer.
Como se muestra en la FIG. 2, se puede formar la celda de nanoporo 200 sobre un sustrato 230, tal como un sustrato de silicio. Se puede formar la capa dieléctrica 201 sobre el sustrato 230. El material dieléctrico usado para formar la capa dieléctrica 201 puede incluir, por ejemplo, vidrio, óxidos, nitruros y similares. Se puede formar un circuito eléctrico 222 para controlar la estimulación eléctrica y para procesar la señal detectada desde la celda de nanoporo 200 sobre el sustrato 230 y/o dentro de la capa dieléctrica 201. Por ejemplo, se puede formar una pluralidad de capas metálicas estampadas (por ejemplo, de metal 1 a metal 6) en la capa dieléctrica 201, y se puede fabricar una pluralidad de dispositivos activos (por ejemplo, transistores) sobre el sustrato 230. En algunos modos de realización, la fuente de señales 228 se incluye como parte del circuito eléctrico 222. El circuito eléctrico 222 puede incluir, por ejemplo, amplificadores, integradores, convertidores de analógico a digital, filtros de ruido, lógica de control de retroalimentación y/u diversos otros componentes. Se puede acoplar además el circuito eléctrico 222 a un procesador 224 que se acopla a una memoria 226, donde el procesador 224 puede analizar los datos de secuenciación para determinar secuencias de las moléculas de polímero que se han secuenciado en la matriz. As shown in FIG. 2, the nanopore cell 200 may be formed on a substrate 230, such as a silicon substrate. The dielectric layer 201 may be formed on the substrate 230. The dielectric material used to form the dielectric layer 201 may include, for example, glass, oxides, nitrides, and the like. An electrical circuit 222 may be formed to control the electrical stimulation and to process the detected signal from the nanopore cell 200 on the substrate 230 and/or within the dielectric layer 201. For example, a plurality of patterned metal layers (e.g., metal 1 to metal 6) may be formed in the dielectric layer 201, and a plurality of active devices (e.g., transistors) may be fabricated on the substrate 230. In some embodiments, the signal source 228 is included as part of the electrical circuit 222. The electrical circuit 222 may include, for example, amplifiers, integrators, analog-to-digital converters, noise filters, feedback control logic, and/or various other components. The electrical circuit 222 may further be coupled to a processor 224 that is coupled to a memory 226, where the processor 224 may analyze the sequencing data to determine sequences of the polymer molecules that have been sequenced on the array.
Se puede formar el electrodo de trabajo 202 sobre la capa dieléctrica 201 y puede formar al menos una parte del fondo del pocillo 205. En algunos modos de realización, el electrodo de trabajo 202 es un electrodo de metal. Para la conducción no faradaica, el electrodo de trabajo 202 se puede hacer de metales u otros materiales que son resistentes a la corrosión y la oxidación, tales como, por ejemplo, platino, oro, nitruro de titanio y grafito. Por ejemplo, el electrodo de trabajo 202 puede ser un electrodo de platino con platino electrodepositado. En otro ejemplo, el electrodo de trabajo 202 puede ser un electrodo de trabajo de nitruro de titanio (TiN). El electrodo de trabajo 202 puede ser poroso, incrementando, de este modo, su área de superficie y una capacidad resultante asociada con el electrodo de trabajo 202. Debido a que el electrodo de trabajo de una celda de nanoporo puede ser independiente del electrodo de trabajo de otra celda de nanoporo, en la presente divulgación el electrodo de trabajo se puede denominar electrodo de celda. The working electrode 202 may be formed over the dielectric layer 201 and may form at least a portion of the bottom of the well 205. In some embodiments, the working electrode 202 is a metal electrode. For non-faradaic conduction, the working electrode 202 may be made of metals or other materials that are resistant to corrosion and oxidation, such as, for example, platinum, gold, titanium nitride, and graphite. For example, the working electrode 202 may be a platinum electrode with platinum electrodeposited thereon. In another example, the working electrode 202 may be a titanium nitride (TiN) working electrode. The working electrode 202 may be porous, thereby increasing its surface area and a resulting capacity associated with the working electrode 202. Because the working electrode of one nanopore cell may be independent of the working electrode of another nanopore cell, in the present disclosure the working electrode may be referred to as a cell electrode.
Se puede formar la capa dieléctrica 204 encima de la capa dieléctrica 201. La capa dieléctrica 204 forma las paredes que rodean el pocillo 205. El material dieléctrico usado para formar la capa dieléctrica 204 puede incluir, por ejemplo, vidrio, óxido, mononitruro de silicio (SiN), poliimida u otro material aislante hidrófobo adecuado. La superficie superior de la capa dieléctrica 204 se puede silanizar. La silanización puede formar una capa hidrófoba 220 encima de la superficie superior de la capa dieléctrica 204. En algunos modos de realización, la capa hidrófoba 220 tiene un espesor de aproximadamente 1,5 nanómetros (nm). The dielectric layer 204 may be formed on top of the dielectric layer 201. The dielectric layer 204 forms the walls surrounding the well 205. The dielectric material used to form the dielectric layer 204 may include, for example, glass, oxide, silicon mononitride (SiN), polyimide, or other suitable hydrophobic insulating material. The top surface of the dielectric layer 204 may be silanized. The silanization may form a hydrophobic layer 220 on top of the top surface of the dielectric layer 204. In some embodiments, the hydrophobic layer 220 has a thickness of about 1.5 nanometers (nm).
El pocillo 205 formado por las paredes de capa dieléctrica 204 incluye un volumen de electrólito 206 encima del electrodo de trabajo 202. El volumen de electrólito 206 se puede tamponar y puede incluir uno o más de los siguientes: cloruro de litio (LiCl), cloruro de sodio (NaCl), cloruro de potasio (KCl), glutamato de litio, glutamato de sodio, glutamato de potasio, acetato de litio, acetato de sodio, acetato de potasio, cloruro de calcio (CaCh), cloruro de estroncio (SrCh), cloruro de manganeso (MnCh) y cloruro de magnesio (MgCh). En algunos modos de realización, el volumen de electrólito 206 tiene un espesor de aproximadamente tres micrómetros (|Jm). The well 205 formed by the dielectric layer walls 204 includes an electrolyte volume 206 above the working electrode 202. The electrolyte volume 206 may be buffered and may include one or more of the following: lithium chloride (LiCl), sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KCl), lithium glutamate, sodium glutamate, potassium glutamate, lithium acetate, sodium acetate, potassium acetate, calcium chloride (CaCh), strontium chloride (SrCh), manganese chloride (MnCh), and magnesium chloride (MgCh). In some embodiments, the electrolyte volume 206 has a thickness of approximately three micrometers (|µm).
Como también se muestra en la FIG. 2, se puede formar una membrana en la parte superior de la capa dieléctrica 204 y que abarca todo el pocillo 205. En algunos modos de realización, la membrana puede incluir una monocapa lipídica 218 formada en la parte superior de la capa hidrófoba 220. A medida que la membrana alcanza la abertura del pocillo 205, la monocapa lipídica 208 se puede convertir en la bicapa lipídica 214 que abarca toda la abertura del pocillo 205. La bicapa lipídica puede comprender o consistir en fosfolípido, por ejemplo, seleccionado de difitanoil-fosfatidilcolina (DPhPC), 1,2-difitanoil-sn-glicero-3-fosfocolina, 1,2-di-O-fitanil-sn-glicero-3-fosfocolina (DoPhPC), palmitoil-oleoil-fosfatidilcolina (POPC), éster dioleoil-fosfatidil-metílico (DOPME), di palmitoilfosfatidilcolina (DPPC), fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina, ácido fosfatídico, fosfatidilinositol, fosfatidilglicerol, esfingomielina, 1,2-di-O-fitanil-sn-glicerol; 1.2- dipalmitoil-sn-glicero-3-fosfoetanolamina-N-[metoxi(polietilenglicol)-350]; As also shown in FIG. 2 , a membrane may be formed on top of the dielectric layer 204 and spanning the entire well 205. In some embodiments, the membrane may include a lipid monolayer 218 formed on top of the hydrophobic layer 220. As the membrane reaches the opening of the well 205, the lipid monolayer 208 may convert into the lipid bilayer 214 spanning the entire opening of the well 205. The lipid bilayer may comprise or consist of phospholipid, for example, selected from diphytanoyl-phosphatidylcholine (DPhPC), 1,2-diphytanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine, 1,2-di-O-phytanyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DoPhPC), palmitoyl-oleoyl-phosphatidylcholine (POPC), ester dioleoyl-phosphatidyl-methyl (DOPME), di palmitoylphosphatidylcholine (DPPC), phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine, phosphatidylserine, phosphatidic acid, phosphatidylinositol, phosphatidylglycerol, sphingomyelin, 1,2-di-O-phytanyl-sn-glycerol; 1.2- dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene glycol)-350];
1.2- dipalmitoil-sn-glicero-3-fosfoetanolamina-N-[metoxi(polietilenglicol)-550]; 1.2- dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene glycol)-550];
1.2- dipalmitoil-sn-glicero-3-fosfoetanolamina-N-[metoxi(polietilenglicol)-750]; 1.2- dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene glycol)-750];
1.2- dipalmitoil-sn-glicero-3-fosfoetanolamina-N-[metoxi(polietilenglicol)-1000]; 1.2- dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene glycol)-1000];
1.2- dipalmitoil-sn-glicero-3-fosfoetanolamina-N-[metoxi(polietilenglicol)-2000]; 1.2- dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene glycol)-2000];
1.2- dioleoil-sn-glicero-3-fosfoetanolamina-N-lactosil; gangliósido GM1, lisofosfatidilcolina (LPC) o cualquier combinación de los mismos. 1.2- Dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-lactosyl; ganglioside GM1, lysophosphatidylcholine (LPC) or any combination thereof.
Como se muestra, la bicapa lipídica 214 se incluye en un único nanoporo 216, por ejemplo, formado por un único PNTMC. Como se describe anteriormente, se puede formar el nanoporo 216 insertando un único PNTMC en la bicapa lipídica 214 por electroporación. El nanoporo 216 puede ser lo suficientemente grande como para permitir el paso de al menos una porción del analito de interés y/o iones pequeños (por ejemplo, Na+, K+, Ca2+, CI-) entre los dos lados de la bicapa lipídica 214. As shown, the lipid bilayer 214 is enclosed within a single nanopore 216, e.g., formed by a single PNTMC. As described above, the nanopore 216 may be formed by inserting a single PNTMC into the lipid bilayer 214 by electroporation. The nanopore 216 may be large enough to allow passage of at least a portion of the analyte of interest and/or small ions (e.g., Na+, K+, Ca2+, Cl−) between the two sides of the lipid bilayer 214.
La cámara de muestra 215 está sobre la bicapa lipídica 214 y puede contener una solución del analito de interés para su caracterización. La solución puede ser una solución acuosa que contiene electrólito a granel 208 y tamponada a una concentración de iones óptima y mantenida a un pH óptimo para mantener abierto el nanoporo 216. El nanoporo 216 cruza la bicapa lipídica 214 y proporciona la única ruta para el flujo iónico desde el electrólito a granel 208 al electrodo de trabajo 202. Además de los nanoporos (por ejemplo, los PNTMC) y el analito de interés, el electrólito a granel 208 puede incluir además uno o más de los siguientes: cloruro de litio (LiCl), cloruro de sodio (NaCl), cloruro de potasio (KCl), glutamato de litio, glutamato de sodio, glutamato de potasio, acetato de litio, acetato de sodio, acetato de potasio, cloruro de calcio (CaCh), cloruro de estroncio (SrCh), cloruro de manganeso (MnCh) y cloruro de magnesio (MgCh). The sample chamber 215 is above the lipid bilayer 214 and may contain a solution of the analyte of interest for characterization. The solution may be an aqueous solution containing bulk electrolyte 208 and buffered to an optimal ion concentration and maintained at an optimal pH to keep nanopore 216 open. Nanopore 216 crosses lipid bilayer 214 and provides the only path for ionic flow from bulk electrolyte 208 to working electrode 202. In addition to nanopores (e.g., PNTMCs) and the analyte of interest, bulk electrolyte 208 may further include one or more of the following: lithium chloride (LiCl), sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KCl), lithium glutamate, sodium glutamate, potassium glutamate, lithium acetate, sodium acetate, potassium acetate, calcium chloride (CaCh), strontium chloride (SrCh), manganese chloride (MnCh), and magnesium chloride. (MgCh).
El contraelectrodo (CE) 210 puede ser un sensor de potencial electroquímico. En algunos modos de realización, el contraelectrodo 210 se puede compartir entre una pluralidad de celdas de nanoporo y, por lo tanto, se puede denominar electrodo común. En algunos casos, el potencial común y el electrodo común pueden ser comunes a todas las celdas de nanoporo, o al menos a todas las celdas de nanoporo dentro de una agrupación particular. El electrodo común se puede configurar para aplicar un potencial común al electrólito a granel 208 en contacto con el nanoporo 216. El contraelectrodo 210 y el electrodo de trabajo 202 se pueden acoplar a la fuente de señales 228 para proporcionar un estímulo eléctrico (por ejemplo, polarización de voltaje) a través de la bicapa lipídica 214, y se pueden usar para detectar características eléctricas de la bicapa lipídica 214 (por ejemplo, resistencia, capacidad y flujo de corriente iónica). En algunos modos de realización, la celda de nanoporo 200 también puede incluir un electrodo de referencia 212. The counter electrode (CE) 210 may be an electrochemical potential sensor. In some embodiments, the counter electrode 210 may be shared among a plurality of nanopore cells and thus may be referred to as a common electrode. In some cases, the common potential and the common electrode may be common to all nanopore cells, or at least to all nanopore cells within a particular array. The common electrode may be configured to apply a common potential to the bulk electrolyte 208 in contact with the nanopore 216. The counter electrode 210 and the working electrode 202 may be coupled to the signal source 228 to provide an electrical stimulus (e.g., voltage bias) across the lipid bilayer 214, and may be used to detect electrical characteristics of the lipid bilayer 214 (e.g., resistance, capacitance, and ionic current flow). In some embodiments, the nanopore cell 200 may also include a reference electrode 212.
En algunos modos de realización, se pueden realizar diversas comprobaciones durante la creación de la celda de nanoporo como parte de la calibración. Una vez que se crea una celda de nanoporo, se pueden realizar otras etapas de calibración, por ejemplo, para identificar celdas de nanoporo que están funcionando como se desea (por ejemplo, un nanoporo en la celda). Dichas comprobaciones de calibración pueden incluir comprobaciones físicas, calibración de voltaje, calibración de canal abierto e identificación de celdas con un único nanoporo. In some embodiments, various checks may be performed during the creation of the nanopore cell as part of the calibration. Once a nanopore cell is created, other calibration steps may be performed, for example, to identify nanopore cells that are functioning as desired (e.g., one nanopore in the cell). Such calibration checks may include physical checks, voltage calibration, open channel calibration, and identification of cells with a single nanopore.
B. Señales de detección de celda de secuenciación con nanoporos B. Cell detection signals from nanopore sequencing
Las celdas de nanoporo en el chip sensor de nanoporos, tales como las celdas de nanoporo 150 en el chip sensor de nanoporos 100, pueden posibilitar la secuenciación en paralelo usando una técnica de secuenciación por síntesis basada en nanoporos (nano-SBS) de una única molécula. Nanopore cells in the nanopore sensor chip, such as the nanopore cells 150 in the nanopore sensor chip 100, may enable parallel sequencing using a single-molecule nanopore-based sequencing-by-synthesis (nano-SBS) technique.
La FIG. 3 ilustra un modo de realización de una celda de nanoporo 300 que realiza la secuenciación de nucleótidos usando la técnica nano-SBS. En la técnica nano-SBS, un molde 332 que se va a secuenciar (por ejemplo, una molécula de ácido nucleico u otro analito de interés) y un cebador se pueden introducir en el electrólito a granel 308 en la cámara de muestra de la celda de nanoporo 300. Como ejemplo, el molde 332 puede ser circular o lineal. Un cebador de ácido nucleico se puede hibridar con una porción del molde 332 a la que se pueden añadir cuatro nucleótidos 338 marcados con polímero de forma diferente. FIG. 3 illustrates one embodiment of a nanopore cell 300 that performs nucleotide sequencing using the nano-SBS technique. In the nano-SBS technique, a template 332 to be sequenced (e.g., a nucleic acid molecule or other analyte of interest) and a primer may be introduced into the bulk electrolyte 308 in the sample chamber of the nanopore cell 300. As an example, the template 332 may be circular or linear. A nucleic acid primer may hybridize to a portion of the template 332 to which four differently shaped polymer-labeled nucleotides 338 may be added.
En algunos modos de realización, una enzima (por ejemplo, una polimerasa 334, tal como una ADN polimerasa) se puede asociar con el nanoporo 316 para su uso en la síntesis de una hebra complementaria al molde 332. Por ejemplo, la polimerasa 334 se puede fijar covalentemente al nanoporo 316. La polimerasa 334 puede catalizar la incorporación de los nucleótidos 338 al cebador usando una molécula de ácido nucleico monocatenario como molde. Los nucleótidos 338 pueden comprender especies de marca ("marcas"), siendo el nucleótido uno de cuatro tipos diferentes: A, T, G o C. Cuando un nucleótido marcado se compleja correctamente con la polimerasa 334, la marca se puede atraer (cargar) hacia el nanoporo por una fuerza eléctrica, tal como una fuerza generada en presencia de un campo eléctrico generado por un voltaje aplicado a través de la bicapa lipídica 314 y/o el nanoporo 316. La cola de la marca se puede situar en el cilindro del nanoporo 316. La marca contenida en el cilindro del nanoporo 316 puede generar una señal de bloqueo iónico única 340 debido a la estructura química y/o tamaño distintivos de la marca, identificando electrónicamente, de este modo, la base añadida a la que se fija la marca. In some embodiments, an enzyme (e.g., a polymerase 334, such as a DNA polymerase) may be associated with the nanopore 316 for use in synthesizing a strand complementary to the template 332. For example, the polymerase 334 may be covalently attached to the nanopore 316. The polymerase 334 may catalyze the incorporation of the nucleotides 338 into the primer using a single-stranded nucleic acid molecule as a template. The nucleotides 338 may comprise label species ("labels"), the nucleotide being one of four different types: A, T, G, or C. When a labeled nucleotide is successfully complexed with the polymerase 334, the label may be attracted (charged) toward the nanopore by an electrical force, such as a force generated in the presence of an electric field generated by a voltage applied across the lipid bilayer 314 and/or the nanopore 316. The tail of the label may be positioned on the nanopore barrel 316. The label contained within the nanopore barrel 316 may generate a unique ion-blocking signal 340 due to the label's distinctive chemical structure and/or size, thereby electronically identifying the added base to which the label is attached.
Como se usa en el presente documento, una marca "cargada" o "de paso" puede ser una que se sitúa en y/o permanece en o cerca del nanoporo durante una cantidad de tiempo apreciable, por ejemplo, de 0,1 milisegundos (ms) a 10000 ms. En algunos casos, una marca se carga en el nanoporo antes de liberarse del nucleótido. En algunos casos, la probabilidad de que una marca cargada pase a través del (y/o se detecte por el) nanoporo después de liberarse tras un acontecimiento de incorporación de nucleótido es adecuadamente alta, por ejemplo, de un 90 % a un 99 %. As used herein, a "charged" or "pass-through" label may be one that is located in and/or remains in or near the nanopore for an appreciable amount of time, e.g., from 0.1 milliseconds (ms) to 10,000 ms. In some instances, a label is loaded into the nanopore before being released from the nucleotide. In some instances, the probability that a charged label will pass through (and/or be detected by) the nanopore after being released following a nucleotide incorporation event is suitably high, e.g., from 90% to 99%.
En algunos modos de realización, antes de que la polimerasa 334 se conecte al nanoporo 316, la conductancia del nanoporo 316 puede ser alta, tal como, por ejemplo, aproximadamente 300picosiemens(300 pS). A medida que la marca se carga en el nanoporo, se genera una señal de conductancia única (por ejemplo, la señal 340) debido a la estructura química y/o el tamaño distintivos de la marca. Por ejemplo, la conductancia del nanoporo puede ser de aproximadamente 60 pS, 80 pS, 100 pS o 120 pS, correspondiente cada una a uno de los cuatro tipos de nucleótidos marcados. A continuación, la polimerasa puede experimentar una reacción de isomerización y una de transfosforilación para incorporar el nucleótido a la molécula de ácido nucleico en crecimiento y liberar la molécula de marca. In some embodiments, before the polymerase 334 connects to the nanopore 316, the conductance of the nanopore 316 may be high, such as, for example, about 300 picosiemens (300 pS). As the label is loaded into the nanopore, a unique conductance signal (e.g., signal 340) is generated due to the distinctive chemical structure and/or size of the label. For example, the nanopore conductance may be about 60 pS, 80 pS, 100 pS, or 120 pS, each corresponding to one of the four types of labeled nucleotides. The polymerase may then undergo an isomerization reaction and a transphosphorylation reaction to incorporate the nucleotide into the growing nucleic acid molecule and release the label molecule.
En algunos casos, algunos de los nucleótidos marcados pueden no coincidir (bases complementarias) con una posición actual de la molécula de ácido nucleico (molde). Los nucleótidos marcados que no están emparejados por base con la molécula de ácido nucleico también pueden pasar a través del nanoporo. Estos nucleótidos no emparejados se pueden rechazar por la polimerasa dentro de una escala de tiempo que es más corta que la escala de tiempo durante la que los nucleótidos emparejados correctamente permanecen asociados con la polimerasa. Las marcas unidas a nucleótidos no emparejados pueden pasar a través del nanoporo rápidamente y detectarse durante un corto período de tiempo (por ejemplo, menos de 10 ms), mientras que las marcas unidas a nucleótidos emparejados se pueden cargar en el nanoporo y detectarse durante un período de tiempo largo (por ejemplo, al menos 10 ms). Por lo tanto, los nucleótidos no emparejados se pueden identificar por un procesador posterior en base al menos en parte en el tiempo durante el que se detecta el nucleótido en el nanoporo. In some cases, some of the labeled nucleotides may not match (complementary bases) with a current position on the nucleic acid molecule (template). Labeled nucleotides that are not base-paired with the nucleic acid molecule may also pass through the nanopore. These unpaired nucleotides may be rejected by the polymerase within a time scale that is shorter than the time scale over which correctly paired nucleotides remain associated with the polymerase. Labels bound to unpaired nucleotides may pass through the nanopore quickly and be detected for a short period of time (e.g., less than 10 ms), whereas labels bound to paired nucleotides may be loaded into the nanopore and detected for a long period of time (e.g., at least 10 ms). Thus, unpaired nucleotides may be identified by a downstream processor based at least in part on the time over which the nucleotide is detected in the nanopore.
Se puede medir una conductancia (o equivalentemente la resistencia) del nanoporo que incluye la marca cargada (de paso) por medio de una corriente que pasa a través del nanoporo, proporcionando, de este modo, una identificación de la especie de marca y, por tanto, del nucleótido en la posición actual. En algunos modos de realización, se puede aplicar una señal de corriente continua (CC) a la celda de nanoporo (por ejemplo, de modo que la dirección en la que se mueve la marca a través del nanoporo no se invierta). Sin embargo, hacer funcionar un sensor de nanoporo durante períodos de tiempo largos usando una corriente continua puede cambiar la composición del electrodo, desequilibrar las concentraciones de iones a través del nanoporo y tener otros efectos indeseables que pueden afectar la vida útil de la celda de nanoporo. Aplicar una forma de onda de corriente alterna (CA) puede reducir la electromigración para evitar estos efectos indeseables y tiene determinadas ventajas como se describe a continuación. Los procedimientos de secuenciación de ácidos nucleicos descritos en el presente documento que utilizan nucleótidos marcados son completamente compatibles con los voltajes de CA aplicados y, por lo tanto, se puede usar una forma de onda de CA para lograr estas ventajas. A conductance (or equivalently, resistance) of the nanopore including the charged (passing) label can be measured by means of a current passing through the nanopore, thereby providing an identification of the label species and thus the nucleotide at the current position. In some embodiments, a direct current (DC) signal can be applied to the nanopore cell (e.g., so that the direction in which the label moves through the nanopore is not reversed). However, operating a nanopore sensor for extended periods of time using a direct current can change the composition of the electrode, unbalance ion concentrations across the nanopore, and have other undesirable effects that may affect the lifetime of the nanopore cell. Applying an alternating current (AC) waveform can reduce electromigration to avoid these undesirable effects and has certain advantages as described below. The nucleic acid sequencing procedures described herein using labeled nucleotides are fully compatible with applied AC voltages and therefore an AC waveform can be used to achieve these advantages.
La capacidad de recargar el electrodo durante el ciclo de detección de CA puede ser ventajosa cuando se usan electrodos de sacrificio, electrodos que cambian el carácter molecular en las reacciones que transportan corriente (por ejemplo, electrodos que comprenden plata) o electrodos que cambian el carácter molecular en las reacciones que transportan corriente. Un electrodo se puede agotar durante un ciclo de detección cuando se usa una señal de corriente continua. La recarga puede evitar que el electrodo alcance un límite de agotamiento, tal como que se agote completamente, lo que puede ser un problema cuando los electrodos son pequeños (por ejemplo, cuando los electrodos son lo suficientemente pequeños como para proporcionar una matriz de electrodos que tiene al menos 500 electrodos por milímetro cuadrado). La vida útil del electrodo en algunos casos varía con, y al menos depende en parte de, la anchura del electrodo. The ability to recharge the electrode during the AC sensing cycle can be advantageous when using sacrificial electrodes, electrodes that change molecular character in current-carrying reactions (e.g., electrodes comprising silver), or electrodes that change molecular character in current-carrying reactions. An electrode can be depleted during a sensing cycle when a DC signal is used. Recharging can prevent the electrode from reaching a depletion limit, such as being completely depleted, which can be a problem when the electrodes are small (e.g., when the electrodes are small enough to provide an electrode array having at least 500 electrodes per square millimeter). Electrode lifetime in some cases varies with, and at least partly depends on, the electrode width.
Son conocidas en la técnica condiciones adecuadas para medir corrientes iónicas que pasan a través de los nanoporos y en el presente documento se proporcionan ejemplos. La medición se puede llevan a cabo con un voltaje aplicado a través de la membrana y el poro. En algunos modos de realización, el voltaje usado puede variar de -400 mV a 400 mV. El voltaje usado está preferentemente en un intervalo que tiene un límite inferior seleccionado de -400 mV, -300 mV, -200 mV, -150 mV, -100 mV, -50 mV, -20 mV y 0 mV y un límite superior seleccionado independientemente de 10 mV, 20 mV, 50 mV, 100 mV, 150 mV, 200 mV, 300 mV y 400 mV. El voltaje usado puede estar, más preferentemente en el intervalo de 100 mV a 240 mV y, lo más preferentemente, en el intervalo de 160 mV a 240 mV. Es posible incrementar la discriminación entre diferentes nucleótidos por un nanoporo usando un potencial aplicado incrementado. La secuenciación de ácidos nucleicos usando formas de onda de CA y nucleótidos marcados se describe en la publicación de patente de EE. UU. n.° US 2014/0134616 titulada "Nucleic Acid Sequencing Using Tags", presentada el 6 de noviembre de 2013. Además de los nucleótidos marcados descritos en el documento US 2014/0134616, la secuenciación se puede realizar usando análogos de nucleótido que carecen de un resto glucídico o acíclico, por ejemplo, nucleósidos trifosfato de (S)-glicerol (gNTP) de las cinco nucleobases comunes: adenina, citosina, guanina, uracilo y timina (Horhotaet al.Organic Letters, 8:5345-5347 [2006]). Suitable conditions for measuring ionic currents passing through nanopores are known in the art, and examples are provided herein. The measurement can be carried out with a voltage applied across the membrane and the pore. In some embodiments, the voltage used can range from -400 mV to 400 mV. The voltage used is preferably in a range having a lower limit selected from -400 mV, -300 mV, -200 mV, -150 mV, -100 mV, -50 mV, -20 mV, and 0 mV and an upper limit independently selected from 10 mV, 20 mV, 50 mV, 100 mV, 150 mV, 200 mV, 300 mV, and 400 mV. The voltage used may be, more preferably, in the range of 100 mV to 240 mV and, most preferably, in the range of 160 mV to 240 mV. It is possible to increase the discrimination between different nucleotides by a nanopore by using an increased applied potential. Nucleic acid sequencing using AC waveforms and labeled nucleotides is described in U.S. Patent Publication No. US 2014/0134616 entitled "Nucleic Acid Sequencing Using Tags", filed November 6, 2013. In addition to the labeled nucleotides described in US 2014/0134616, sequencing can be performed using nucleotide analogs that lack a carbohydrate or acyclic moiety, for example, (S)-glycerol nucleoside triphosphates (gNTPs) of the five common nucleobases: adenine, cytosine, guanine, uracil, and thymine (Horhota et al. Organic Letters, 8:5345-5347 [2006]).
C. Circuito eléctrico de la celda de secuenciación con nanoporos C. Electrical circuit of the nanopore sequencing cell
La FIG. 4 ilustra un modo de realización de un circuito eléctrico 400 (que puede incluir porciones del circuito eléctrico 222 en la FIG. 2) en una celda de nanoporo, tal como la celda de nanoporo 200. Como se describe anteriormente, en algunos modos de realización, el circuito eléctrico 400 incluye un contraelectrodo 210 que se puede compartir entre una pluralidad de celdas de nanoporo o todas las celdas de nanoporo en un chip sensor de nanoporos y, por lo tanto, también se puede denominar electrodo común. El electrodo común se puede configurar para aplicar un potencial común al electrólito a granel (por ejemplo, electrólito a granel 208) en contacto con la bicapa lipídica (por ejemplo, bicapa lipídica 214) en las celdas de nanoporo conectándose a una fuente de voltaje V<líq>420. En algunos modos de realización, se puede utilizar un modo no faradaico de CA para modular el voltaje V<líq>con una señal de CA (por ejemplo, una onda cuadrada) y aplicarla al electrólito a granel en contacto con la bicapa lipídica en la celda de nanoporo. En algunos modos de realización, V<líq>es una onda cuadrada con una magnitud de ±200-250 mV y una frecuencia entre, por ejemplo, 25 y 400 Hz. El electrólito a granel entre el contraelectrodo 210 y la bicapa lipídica (por ejemplo, la bicapa lipídica 214) se puede modelar por un condensador grande (no mostrado), tal como, por ejemplo, de 100 |<j>F o más grande. FIG. 4 illustrates one embodiment of an electrical circuit 400 (which may include portions of the electrical circuit 222 in FIG. 2) in a nanopore cell, such as nanopore cell 200. As described above, in some embodiments, the electrical circuit 400 includes a counter electrode 210 that may be shared among a plurality of nanopore cells or all of the nanopore cells in a nanopore sensor chip, and thus may also be referred to as a common electrode. The common electrode may be configured to apply a common potential to the bulk electrolyte (e.g., bulk electrolyte 208) in contact with the lipid bilayer (e.g., lipid bilayer 214) in the nanopore cells by connecting to a voltage source V<liq>420. In some embodiments, a non-faradaic mode of AC can be used to modulate the voltage V<liq> with an AC signal (e.g., a square wave) and apply it to the bulk electrolyte in contact with the lipid bilayer in the nanopore cell. In some embodiments, V<liq> is a square wave with a magnitude of ±200-250 mV and a frequency between, for example, 25 and 400 Hz. The bulk electrolyte between the counter electrode 210 and the lipid bilayer (e.g., lipid bilayer 214) can be modeled by a large capacitor (not shown), such as, for example, 100 |<j>F or larger.
La FIG. 4 también muestra un modelo eléctrico 422 que representa las propiedades eléctricas de un electrodo de trabajo (por ejemplo, el electrodo de trabajo 202) y la bicapa lipídica (por ejemplo, la bicapa lipídica 214). El modelo eléctrico 422 incluye un condensador 426 (CBicapa) que modela una capacidad asociada a la bicapa lipídica y una resistencia 428 (Rporo) que modela una resistencia variable asociada con el nanoporo, que puede cambiar en base a la presencia de una marca particular en el nanoporo. El modelo eléctrico 422 también incluye un condensador 424 que tiene una capacidad de doble capa (CDoble capa) y que representa las propiedades eléctricas del electrodo de trabajo 202 y del pocilio 205. El electrodo de trabajo 202 se puede configurar para aplicar un potencial distintivo independiente de los electrodos de trabajo en otras celdas de nanoporo. FIG. 4 also shows an electrical model 422 representing the electrical properties of a working electrode (e.g., working electrode 202) and the lipid bilayer (e.g., lipid bilayer 214). The electrical model 422 includes a capacitor 426 (CBilayer) modeling a capacitance associated with the lipid bilayer and a resistor 428 (Rpore) modeling a variable resistance associated with the nanopore, which may change based on the presence of a particular label in the nanopore. The electrical model 422 also includes a capacitor 424 having a bilayer capacitance (CBilayer) and representing the electrical properties of the working electrode 202 and the well 205. The working electrode 202 may be configured to apply a distinctive potential independent of working electrodes in other nanopore cells.
El dispositivo de paso 406 es un conmutador que se puede usar para conectar o desconectar la bicapa lipídica y el electrodo de trabajo del circuito eléctrico 400. El dispositivo de paso 406 se puede controlar por un bit de memoria para posibilitar o imposibilitar que se aplique un estímulo de voltaje a través de la bicapa lipídica en la celda de nanoporo. Antes de que se depositen los lípidos para formar la bicapa lipídica, la impedancia entre los dos electrodos puede ser muy baja porque el pocillo de la celda de nanoporo no está sellado y, por lo tanto, el dispositivo de paso 406 se puede mantener abierto para evitar una condición de cortocircuito. El dispositivo de paso 406 se puede cerrar después de que se ha depositado el disolvente lipídico en la celda de nanoporo para sellar el pocillo de la celda de nanoporo. The gate device 406 is a switch that can be used to connect or disconnect the lipid bilayer and the working electrode from the electrical circuit 400. The gate device 406 can be controlled by a memory bit to enable or disable a voltage stimulus from being applied across the lipid bilayer in the nanopore cell. Before lipids are deposited to form the lipid bilayer, the impedance between the two electrodes can be very low because the well of the nanopore cell is not sealed, and therefore the gate device 406 can be kept open to prevent a short circuit condition. The gate device 406 can be closed after the lipid solvent has been deposited in the nanopore cell to seal the well of the nanopore cell.
El circuito 400 puede incluir además un condensador integrador en el chip 408 (ncon). El condensador integrador 408 se puede precargar usando una señal de reinicio 403 para cerrar el conmutador 401, de modo que el condensador integrador 408 se conecte a una fuente de voltaje V<pre>405. En algunos modos de realización, la fuente de voltaje V<pre>405 proporciona un voltaje positivo constante con una magnitud de, por ejemplo, 900 mV. Cuando el conmutador 401 está cerrado, el condensador integrador 408 se puede precargar al nivel de voltaje positivo de la fuente de voltaje V<pre>405. Circuit 400 may further include an on-chip integrating capacitor 408 (ncon). Integrating capacitor 408 may be precharged using a reset signal 403 to close switch 401 such that integrating capacitor 408 is connected to a voltage source V<pre>405. In some embodiments, voltage source V<pre>405 provides a constant positive voltage with a magnitude of, for example, 900 mV. When switch 401 is closed, integrating capacitor 408 may be precharged to the positive voltage level of voltage source V<pre>405.
Después de que el condensador integrador 408 se precarga, la señal de reinicio 403 se puede usar para abrir el conmutador 401 de modo que el condensador integrador 408 se desconecte de la fuente de voltaje V<pre>405. En este punto, dependiendo del nivel de la fuente de voltaje V<líq>, el potencial del contraelectrodo 210 puede estar en un nivel mayor que el potencial del electrodo de trabajo 202 (y del condensador integrador 408) o viceversa. Por ejemplo, durante una fase positiva de una onda cuadrada desde la fuente de voltaje V<líq>(por ejemplo, el período brillante u oscuro del ciclo de señales de fuente de voltaje de CA), el potencial del contraelectrodo 210 está en un nivel mayor que el potencial del electrodo de trabajo 202. Durante una fase negativa de la onda cuadrada de la fuente de voltaje V<líq>(por ejemplo, el período oscuro o brillante del ciclo de señales de fuente de voltaje de CA), el potencial del contraelectrodo 210 está en un nivel menor que el potencial del electrodo de trabajo 202. Por tanto, en algunos modos de realización, el condensador integrador 408 se puede cargar además durante el período brillante a partir del nivel de voltaje precargado de la fuente de voltaje V<pre>405 a un nivel mayor, y descargarse durante el período oscuro a un nivel menor, debido a la diferencia de potencial entre el contraelectrodo 210 y el electrodo de trabajo 202. En otros modos de realización, la carga y la descarga se pueden producir en períodos oscuros y períodos brillantes, respectivamente. After the integrating capacitor 408 is precharged, the reset signal 403 may be used to open the switch 401 so that the integrating capacitor 408 is disconnected from the voltage source V<pre>405. At this point, depending on the level of the voltage source V<liq>, the potential of the counter electrode 210 may be at a higher level than the potential of the working electrode 202 (and the integrating capacitor 408) or vice versa. For example, during a positive phase of a square wave from the voltage source V<liq> (e.g., the bright or dark period of the AC voltage source signal cycle), the potential of the counter electrode 210 is at a higher level than the potential of the working electrode 202. During a negative phase of the square wave from the voltage source V<liq> (e.g., the dark or bright period of the AC voltage source signal cycle), the potential of the counter electrode 210 is at a lower level than the potential of the working electrode 202. Thus, in some embodiments, the integrating capacitor 408 may be further charged during the bright period from the pre-charged voltage level of the voltage source V<pre>405 to a higher level, and discharged during the dark period to a lower level, due to the potential difference between the counter electrode 210 and the working electrode 202. In other embodiments, charging and discharging may occur in dark periods and bright periods, respectively.
El condensador integrador 408 se puede cargar o descargar durante un período de tiempo fijo, dependiendo de la tasa de muestreo de un convertidor de analógico a digital (ADC) 410, que puede ser mayor que 1 kHz, 5 kHz, 10 kHz, 100 kHz o más. Por ejemplo, con una tasa de muestreo de 1 kHz, el condensador integrador 408 se puede cargar/descargar durante un período de aproximadamente 1 ms y, a continuación, el nivel de voltaje se puede muestrear y convertir por el ADC 410 al final del período de integración. Un nivel de voltaje particular correspondería a una especie de marca particular en el nanoporo y, por tanto, correspondería al nucleótido en una posición actual en el molde. The integrating capacitor 408 may be charged or discharged over a fixed period of time, depending on the sampling rate of an analog-to-digital converter (ADC) 410, which may be greater than 1 kHz, 5 kHz, 10 kHz, 100 kHz, or more. For example, with a sampling rate of 1 kHz, the integrating capacitor 408 may be charged/discharged over a period of approximately 1 ms, and then the voltage level may be sampled and converted by the ADC 410 at the end of the integration period. A particular voltage level would correspond to a particular mark species in the nanopore and thus would correspond to the nucleotide at a current position in the template.
Después de muestrearse por el ADC 410, el condensador integrador 408 se puede precargar de nuevo usando la señal de reinicio 403 para cerrar el conmutador 401, de modo que el condensador integrador 408 se conecta a la fuente de voltaje V<pre>405 de nuevo. Las etapas de precarga del condensador integrador 408, espera de un período de tiempo fijo para que el condensador integrador 408 se cargue o descargue, y muestreo y conversión del nivel de voltaje del condensador integrador por el ADC 410 se pueden repetir en ciclos en todo el procedimiento de secuenciación. After being sampled by the ADC 410, the integrating capacitor 408 may be pre-charged again by using the reset signal 403 to close the switch 401 so that the integrating capacitor 408 is connected to the voltage source V<pre>405 again. The steps of pre-charging the integrating capacitor 408, waiting a fixed period of time for the integrating capacitor 408 to charge or discharge, and sampling and converting the integrating capacitor voltage level by the ADC 410 may be repeated in cycles throughout the sequencing procedure.
Un procesador digital 430 puede procesar los datos de salida de ADC, por ejemplo, para normalización, almacenamiento intermedio de datos, filtrado de datos, compresión de datos, reducción de datos, extracción de acontecimientos o ensamblaje de datos de salida de ADC de la matriz de celdas de nanoporo en diversas tramas de datos. En algunos modos de realización, el procesador digital 430 puede realizar un procesamiento posterior adicional, tal como la determinación de base. El procesador digital 430 se puede implementar como equipo físico (por ejemplo, en una GPU, FPGA, ASIC, etc.) o como una combinación de equipo físico y programa informático. A digital processor 430 may process the ADC output data, for example, for normalization, data buffering, data filtering, data compression, data reduction, event extraction, or assembling ADC output data from the nanopore cell array into various data frames. In some embodiments, the digital processor 430 may perform additional post-processing, such as basis determination. The digital processor 430 may be implemented as hardware (e.g., in a GPU, FPGA, ASIC, etc.) or as a combination of hardware and software.
En consecuencia, la señal de voltaje aplicada a través del nanoporo se puede usar para detectar estados particulares del nanoporo. Uno de los posibles estados del nanoporo es un estado de canal abierto cuando un polifosfato fijado a la marca está ausente del cilindro del nanoporo. Otros cuatro estados posibles del nanoporo corresponden cada uno a un estado donde uno de los cuatro tipos diferentes de nucleótidos de polifosfato fijados a la marca (A, T, G o C) se mantiene en el cilindro del nanoporo. Aún otro posible estado del nanoporo es cuando la bicapa lipídica se rompe. Consequently, the voltage signal applied across the nanopore can be used to detect particular states of the nanopore. One of the possible states of the nanopore is an open channel state when a polyphosphate label-bound nucleotide is absent from the nanopore barrel. Four other possible states of the nanopore each correspond to a state where one of the four different types of polyphosphate nucleotides bound to the label (A, T, G, or C) is retained in the nanopore barrel. Yet another possible state of the nanopore is when the lipid bilayer is ruptured.
Cuando se mide el nivel de voltaje en el condensador integrador 408 después de un período de tiempo fijo, los diferentes estados de un nanoporo pueden dar como resultado mediciones de diferentes niveles de voltaje. Esto se debe a que la tasa de caída de voltaje (disminución por descarga o incremento por carga) en el condensador integrador 408 (es decir, la inclinación de la pendiente de un gráfico de voltaje en el condensador integrador 408 frente al tiempo) depende de la resistencia de nanoporo (por ejemplo, la resistencia de la resistencia R<poro>428). Más en particular, como la resistencia asociada con el nanoporo en diferentes estados es diferente debido a las estructuras químicas distintivas de las moléculas (de las marcas), se pueden observar diferentes tasas correspondientes de caída de voltaje y se pueden usar para identificar los diferentes estados del nanoporo. La curva de caída de voltaje puede ser una curva exponencial con una constante de tiempo de RC<t>= RC, donde R es la resistencia asociada con el nanoporo (es decir, R<poro>428) y C es la capacidad asociada con la membrana (es decir, el condensador 426 (CBicapa)) en paralelo con R. Una constante de tiempo de la celda de nanoporo puede ser, por ejemplo, de aproximadamente 200-500 ms. La curva de caída puede no ajustarse exactamente a una curva exponencial debido a la implementación detallada de la bicapa, pero la curva de caída puede ser similar a una curva exponencial y es repetitiva, permitiendo, por tanto, la detección de marcas. When measuring the voltage level across the integrating capacitor 408 after a fixed period of time, different states of a nanopore may result in measurements of different voltage levels. This is because the rate of voltage decay (decrease per discharge or increase per charge) across the integrating capacitor 408 (i.e., the steepness of the slope of a graph of voltage across the integrating capacitor 408 versus time) depends on the nanopore resistance (e.g., the resistance of the resistor R<pore>428). More particularly, since the resistance associated with the nanopore in different states is different due to the distinctive chemical structures of the molecules (of the labels), different corresponding rates of voltage decay can be observed and can be used to identify the different states of the nanopore. The voltage decay curve may be an exponential curve with a time constant of RC<t>=RC, where R is the resistance associated with the nanopore (i.e., R<pore>428) and C is the capacitance associated with the membrane (i.e., capacitor 426 (CBilayer)) in parallel with R. A time constant of the nanopore cell may be, for example, about 200-500 ms. The decay curve may not exactly fit an exponential curve due to the detailed implementation of the bilayer, but the decay curve may be exponential-like and is repeatable, thus allowing for mark detection.
En algunos modos de realización, la resistencia asociada con el nanoporo en un estado de canal abierto puede estar en el intervalo de 100 MOhm a 20 GOhm. En algunos modos de realización, la resistencia asociada con el nanoporo en un estado donde una marca está en el interior del cilindro del nanoporo puede estar dentro del intervalo de 200 MOhm a 40 GOhm. En otros modos de realización, se puede omitir el condensador integrador 408, ya que el voltaje que se conduce al ADC 410 variará todavía debido a la caída de voltaje en el modelo eléctrico 422. In some embodiments, the resistance associated with the nanopore in an open channel state may be in the range of 100 MOhm to 20 GOhm. In some embodiments, the resistance associated with the nanopore in a state where a mark is inside the nanopore cylinder may be within the range of 200 MOhm to 40 GOhm. In other embodiments, the integrating capacitor 408 may be omitted, since the voltage being driven to the ADC 410 will still vary due to the voltage drop across the electrical pattern 422.
La tasa de la caída del voltaje en el condensador integrador 408 se puede determinar de diferentes maneras. Como se expone anteriormente, la tasa de la caída de voltaje se puede determinar midiendo una caída de voltaje durante un intervalo de tiempo fijo. Por ejemplo, se puede medir el voltaje en el condensador integrador 408, en primer lugar, por el ADC 410 en el tiempo t i y, a continuación, se mide el voltaje de nuevo por el ADC 410 en el tiempo t2. La diferencia de voltaje es mayor cuando la pendiente del voltaje en la curva del condensador integrador 408 frente al tiempo es más pronunciada, y la diferencia de voltaje es más pequeña cuando la pendiente de la curva de voltaje es menos pronunciada. Por tanto, se puede usar la diferencia de voltaje como una métrica para determinar la tasa de la caída del voltaje en el condensador integrador 408 y, por tanto, el estado de la celda de nanoporo. The rate of voltage drop across the integrating capacitor 408 can be determined in several ways. As discussed above, the rate of voltage drop can be determined by measuring a voltage drop over a fixed time interval. For example, the voltage across the integrating capacitor 408 can be measured first by the ADC 410 at time t i and then the voltage is measured again by the ADC 410 at time t2. The voltage difference is larger when the slope of the voltage versus time curve across the integrating capacitor 408 is steeper, and the voltage difference is smaller when the slope of the voltage curve is shallower. Therefore, the voltage difference can be used as a metric to determine the rate of voltage drop across the integrating capacitor 408 and thus the state of the nanopore cell.
En otros modos de realización, la tasa de la caída de voltaje se puede determinar midiendo una duración de tiempo que se requiere para una cantidad seleccionada de caída de voltaje. Por ejemplo, se puede medir el tiempo requerido para que el voltaje descienda o se incremente desde un primer nivel de voltaje V1 hasta un segundo nivel de voltaje V2. El tiempo requerido es menor cuando la pendiente de la curva de voltaje frente a tiempo es más pronunciada, y el tiempo requerido es mayor cuando la pendiente de la curva de voltaje frente a tiempo es menos pronunciada. Por tanto, se puede usar el tiempo medido requerido como una métrica para determinar la tasa de la caída del voltaje en el condensador integrador ncon 408 y, por tanto, el estado de la celda de nanoporo. Un experto en la técnica apreciará los diversos circuitos que se pueden usar para medir la resistencia del nanoporo, por ejemplo, incluyendo las técnicas de medición de corriente. In other embodiments, the rate of voltage drop can be determined by measuring a duration of time required for a selected amount of voltage drop. For example, the time required for the voltage to drop or rise from a first voltage level V1 to a second voltage level V2 can be measured. The time required is shorter when the slope of the voltage versus time curve is steeper, and the time required is longer when the slope of the voltage versus time curve is less steep. Thus, the measured time required can be used as a metric to determine the rate of voltage drop across the integrating capacitor ncon 408 and, therefore, the state of the nanopore cell. One of skill in the art will appreciate the various circuits that can be used to measure the resistance of the nanopore, for example, including current measurement techniques.
En algunos modos de realización, el circuito eléctrico 400 puede no incluir un dispositivo de paso (por ejemplo, el dispositivo de paso 406) y un condensador adicional (por ejemplo, el condensador integrador 408 (ncon)) que se fabrican en el chip, facilitando de este modo la reducción en el tamaño del chip de secuenciación basada en nanoporos. Debido a la naturaleza delgada de la membrana (bicapa lipídica), la capacidad asociada con la membrana (por ejemplo, el condensador 426 (CBicapa)) por sí sola puede ser suficiente para crear la constante de tiempo de RC requerida sin necesidad de la capacidad en el chip adicional. Por lo tanto, el condensador 426 se puede usar como condensador integrador y se puede precargar por la señal de voltaje V<pre>y posteriormente descargarse o cargarse por la señal de voltaje V<líq>. La eliminación del condensador adicional y del dispositivo de paso que de otro modo se fabrican en el chip del circuito eléctrico puede reducir significativamente la superficie ocupada de una única celda de nanoporo en el chip de secuenciación de nanoporos, facilitando de este modo el escalamiento del chip de secuenciación de nanoporos para incluir cada vez más celdas (por ejemplo, tener millones de celdas en un chip de secuenciación de nanoporos). In some embodiments, the electrical circuit 400 may not include a feed-through device (e.g., feed-through device 406) and an additional capacitor (e.g., integrating capacitor 408 (ncon)) that are fabricated on-chip, thereby facilitating reduction in nanopore-based sequencing chip size. Due to the thin nature of the membrane (lipid bilayer), the capacitance associated with the membrane (e.g., capacitor 426 (CBilayer)) alone may be sufficient to create the required RC time constant without the need for additional on-chip capacitance. Thus, the capacitor 426 may be used as an integrating capacitor and may be pre-charged by the voltage signal V<pre> and subsequently discharged or charged by the voltage signal V<liq>. Eliminating the additional capacitor and feed-through device otherwise fabricated on the electrical circuit chip can significantly reduce the footprint of a single nanopore cell on the nanopore sequencing chip, thereby facilitating scaling of the nanopore sequencing chip to include increasingly larger numbers of cells (e.g., having millions of cells on a nanopore sequencing chip).
D. Muestreo de datos en celdas de nanoporo D. Data sampling in nanopore cells
Para realizar la secuenciación de un ácido nucleico, se puede muestrear y convertir el nivel de voltaje del condensador integrador (por ejemplo, el condensador integrador 408 (ncon) o el condensador 426 (CBicapa)) por el ADC (por ejemplo, el ADC 410) mientras se añade un nucleótido marcado al ácido nucleico. La marca del nucleótido se puede empujar hacia el cilindro del nanoporo por el campo eléctrico a través del nanoporo que se aplica a través del contraelectrodo y el electrodo de trabajo, por ejemplo, cuando el voltaje aplicado es de modo que V<líq>es menor que V<pre>. To perform nucleic acid sequencing, the voltage level of the integrating capacitor (e.g., integrating capacitor 408 (ncon) or capacitor 426 (CBilayer)) may be sampled and converted by the ADC (e.g., ADC 410) while a labeled nucleotide is added to the nucleic acid. The nucleotide label may be pushed toward the nanopore barrel by the electric field across the nanopore that is applied via the counter electrode and the working electrode, e.g., when the applied voltage is such that V<liq> is less than V<pre>.
1. Paso1. Step
Un acontecimiento de paso es cuando un nucleótido marcado se fija al molde (por ejemplo, un fragmento de ácido nucleico) y la marca se mueve dentro y fuera del cilindro del nanoporo. Esto puede suceder múltiples veces durante un acontecimiento de paso. Cuando la marca está en el cilindro del nanoporo, la resistencia del nanoporo puede ser mayor y una corriente menor puede fluir a través del nanoporo. A passing event occurs when a labeled nucleotide binds to the template (e.g., a nucleic acid fragment) and the label moves in and out of the nanopore barrel. This can happen multiple times during a passing event. When the label is in the nanopore barrel, the nanopore resistance may be higher, and a lower current may flow through the nanopore.
Durante la secuenciación, es posible que una marca no esté en el nanoporo en algunos ciclos de CA (denominados estado de canal abierto), donde la corriente es la más alta debido a la menor resistencia del nanoporo. Cuando una marca se atrae hacia el cilindro del nanoporo, el nanoporo está en modo brillante. Cuando la marca se expulsa del cilindro del nanoporo, el nanoporo está en modo oscuro. During sequencing, a label may not be in the nanopore during some AC cycles (called the open-channel state), where the current is highest due to the nanopore's lower resistance. When a label is attracted to the nanopore barrel, the nanopore is in bright mode. When the label is ejected from the nanopore barrel, the nanopore is in dark mode.
2. Período brillante y oscuro2. Bright and dark period
Durante un ciclo de CA, se puede muestrear el voltaje en el condensador integrador múltiples veces por el ADC. Por ejemplo, en un modo de realización, se aplica una señal de voltaje de CA a través del sistema a, por ejemplo, aproximadamente 100 Hz, y una tasa de adquisición del ADC puede ser de aproximadamente 2000 Hz por celda. Por tanto, pueden existir aproximadamente 20 puntos de datos (mediciones de voltaje) captados por ciclo de CA (ciclo de una forma de onda de CA). Los puntos de datos correspondientes a un ciclo de la forma de onda de CA se pueden denominar conjunto. En un conjunto de puntos de datos para un ciclo de CA, puede existir un subconjunto captado cuando, por ejemplo, V<líq>es menor que V<pre>, que puede corresponder a un modo (período) brillante donde la marca se fuerza hacia el cilindro del nanoporo. Otro subconjunto puede corresponder a un modo (período) oscuro cuando la marca se expulsa del cilindro del nanoporo por el campo eléctrico aplicado cuando, por ejemplo, V<líq>es mayor que V<pre>. During an AC cycle, the voltage across the integrating capacitor may be sampled multiple times by the ADC. For example, in one embodiment, an AC voltage signal is applied across the system at, say, about 100 Hz, and an ADC acquisition rate may be about 2000 Hz per cell. Thus, there may be about 20 data points (voltage measurements) captured per AC cycle (cycle of an AC waveform). The data points corresponding to one cycle of the AC waveform may be referred to as a set. In a set of data points for one AC cycle, there may be a subset captured when, say, V<liq> is less than V<pre>, which may correspond to a bright mode (period) where the tag is forced toward the nanopore cylinder. Another subset may correspond to a dark mode (period) when the label is ejected from the nanopore cylinder by the applied electric field when, for example, V<líq> is greater than V<pre>.
3. Voltajes medidos3. Measured voltages
Para cada punto de datos, cuando se abre el conmutador 401, el voltaje en el condensador integrador (por ejemplo, el condensador integrador 408 (ncon) o el condensador 426 (CBicapa)) cambiará de forma decreciente como resultado de la carga/descarga por V<líq>, por ejemplo, como un incremento de V<pre>a V<líq>cuando V<líq>es mayor que V<pre>o una disminución de V<pre>a V<líq>cuando V<líq>es menor que V<pre>. Los valores de voltaje final pueden diferir de V<líq>a medida que se carga el electrodo de trabajo. La tasa de cambio del nivel de voltaje en el condensador integrador se puede regir por el valor de la resistencia de la bicapa, que puede incluir el nanoporo, que a su vez puede incluir una molécula (por ejemplo, una marca de un nucleótido marcado) en el nanoporo. El nivel de voltaje se puede medir en un tiempo predeterminado después de que se abre el conmutador 401. For each data point, when switch 401 is opened, the voltage across the integrating capacitor (e.g., integrating capacitor 408 (ncon) or capacitor 426 (CBilayer)) will change in a decrementing manner as a result of charging/discharging by V<liq>, e.g., as an increase from V<pre> to V<liq> when V<liq> is greater than V<pre> or a decrease from V<pre> to V<liq> when V<liq> is less than V<pre>. The final voltage values may differ from V<liq> as the working electrode is charged. The rate of change of the voltage level across the integrating capacitor may be governed by the value of the resistance of the bilayer, which may include the nanopore, which in turn may include a molecule (e.g., a label of a labeled nucleotide) in the nanopore. The voltage level may be measured at a predetermined time after switch 401 is opened.
El conmutador 401 puede funcionar a la tasa de adquisición de datos. El conmutador 401 se puede cerrar durante un período de tiempo relativamente corto entre dos adquisiciones de datos, típicamente justo después de una medición realizada por el ADC. El conmutador permite recopilar múltiples puntos de datos para cada ciclo. Si el conmutador 401 permanece abierto, el nivel de voltaje en el condensador integrador y, por tanto, el valor de salida del ADC, caería completamente y permanecería allí. Dichas mediciones múltiples pueden permitir una mayor resolución con un ADC fijo (por ejemplo, de 8 bits a 14 bits debido al mayor número de mediciones, que se pueden promediar). Las mediciones múltiples también pueden proporcionar información cinética sobre la molécula de paso por el nanoporo. La información de tiempo puede permitir la determinación de cuánto tiempo tarda en pasar. Esto también se puede usar para ayudar a determinar si se secuencian múltiples nucleótidos que se añaden a la hebra de ácido nucleico. Switch 401 may operate at the data acquisition rate. Switch 401 may be closed for a relatively short period of time between two data acquisitions, typically just after a measurement made by the ADC. The switch allows multiple data points to be collected for each cycle. If switch 401 remained open, the voltage level across the integrating capacitor, and thus the ADC output value, would drop completely and remain there. Such multiple measurements may allow for higher resolution with a fixed ADC (e.g., from 8 bits to 14 bits due to the increased number of measurements, which can be averaged). Multiple measurements may also provide kinetic information about the molecule passing through the nanopore. The timing information may allow for the determination of how long it takes to pass. This may also be used to help determine whether multiple nucleotides that are added to the nucleic acid strand are being sequenced.
La FIG. 5 muestra puntos de datos de ejemplo captados de una celda de nanoporo durante períodos brillantes y períodos oscuros de ciclos de CA. En la FIG. 5, el cambio en los puntos de datos se exagera con propósitos ilustrativos. El voltaje (V<pre>) aplicado al electrodo de trabajo o al condensador integrador está en un nivel constante, tal como, por ejemplo, 900 mV. Una señal de voltaje 510 (V<líq>) aplicada al contraelectrodo de las celdas de nanoporo es una señal de CA mostrada como una onda rectangular, donde el ciclo de trabajo puede ser cualquier valor adecuado, tal como menor que o igual a un 50 %, por ejemplo, aproximadamente un 40 %. FIG. 5 shows example data points captured from a nanopore cell during bright and dark periods of AC cycling. In FIG. 5, the change in the data points is exaggerated for illustrative purposes. The voltage (V<pre>) applied to the working electrode or integrating capacitor is at a constant level, such as, for example, 900 mV. A voltage signal 510 (V<liq>) applied to the counter electrode of the nanopore cells is an AC signal shown as a rectangular wave, where the duty cycle may be any suitable value, such as less than or equal to 50%, for example, about 40%.
Durante un período brillante 520, la señal de voltaje 510 (V<líq>) aplicada al contraelectrodo es menor que el voltaje V<pre>aplicado al electrodo de trabajo, de modo que una marca se puede forzar hacia el cilindro del nanoporo por el campo eléctrico provocado por los diferentes niveles de voltaje aplicados en el electrodo de trabajo y el contraelectrodo (por ejemplo, debido a la carga en la marca y/o el flujo de los iones). Cuando se abre el conmutador 401, el voltaje en un nodo antes del ADC (por ejemplo, en un condensador integrador) disminuirá. Después de captar un punto de datos de voltaje (por ejemplo, después de un período de tiempo especificado), se puede cerrar el conmutador 401 y el voltaje en el nodo de medición se incrementará de vuelta a V<pre>de nuevo. El procedimiento se puede repetir para medir múltiples puntos de datos de voltaje. De esta manera, se pueden captar múltiples puntos de datos durante el período brillante. During a bright period 520, the voltage signal 510 (V<liq>) applied to the counter electrode is lower than the voltage V<pre> applied to the working electrode, such that a mark can be forced toward the nanopore cylinder by the electric field caused by the different voltage levels applied at the working electrode and the counter electrode (e.g., due to charging on the mark and/or ion flow). When switch 401 is opened, the voltage at a node before the ADC (e.g., at an integrating capacitor) will decrease. After one voltage data point is captured (e.g., after a specified period of time), switch 401 can be closed and the voltage at the measurement node will increase back to V<pre> again. The procedure can be repeated to measure multiple voltage data points. In this way, multiple data points can be captured during the bright period.
Como se muestra en la FIG. 5, un primer punto de datos 522 (también denominado primer punto delta (FPD)) en el período brillante después de un cambio en el signo de la señal V<líq>puede ser menor que los puntos de datos 524 posteriores. Esto se puede deber a que no hay ninguna marca en el nanoporo (canal abierto) y, por tanto, tiene una baja resistencia y una alta tasa de descarga. En algunos casos, el primer punto de datos 522 puede exceder el nivel de V<líq>como se muestra en la FIG. 5. Esto se puede provocar por la capacidad de la bicapa que acopla la señal al condensador en el chip. Los puntos de datos 524 se pueden captar después de que se ha producido un acontecimiento de paso, es decir, se fuerza una marca hacia el cilindro del nanoporo, donde la resistencia del nanoporo y, por tanto, la tasa de descarga del condensador integrador depende del tipo de marca particular que se fuerza hacia el cilindro del nanoporo. Los puntos de datos 524 pueden disminuir ligeramente para cada medición debido a la carga acumulada en CDoble capa 424, como se menciona a continuación. As shown in FIG. 5, a first data point 522 (also referred to as first point delta (FPD)) in the bright period after a change in signal sign V<liq> may be lower than subsequent data points 524. This may be because there is no mark in the nanopore (open channel) and therefore it has a low resistance and high discharge rate. In some cases, the first data point 522 may exceed the V<liq> level as shown in FIG. 5. This may be caused by the capacitance of the bilayer coupling the signal to the capacitor on the chip. The data points 524 may be captured after a pass-through event has occurred, i.e., a mark is forced into the nanopore barrel, where the resistance of the nanopore and therefore the discharge rate of the integrating capacitor depends on the particular type of mark that is forced into the nanopore barrel. The 524 data points may decrease slightly for each measurement due to the accumulated load on the 424 CDouble layer, as mentioned below.
Durante un período oscuro 530, la señal de voltaje 510 (V<líq>) aplicada al contraelectrodo es mayor que el voltaje (V<pre>) aplicado al electrodo de trabajo, de modo que cualquier marca se expulsaría fuera del cilindro del nanoporo. Cuando se abre el conmutador 401, el voltaje en el nodo de medición se incrementa porque el nivel de voltaje de la señal de voltaje 510 (V<líq>) es mayor que V<pre>. Después de captar un punto de datos de voltaje (por ejemplo, después de un período de tiempo especificado), el conmutador 401 se puede cerrar y el voltaje en el nodo de medición disminuirá de vuelta a V<pre>de nuevo. El procedimiento se puede repetir para medir múltiples puntos de datos de voltaje. Por tanto, se pueden captar múltiples puntos de datos durante el período oscuro, incluyendo un primer punto delta 532 y puntos de datos 534 posteriores. Como se describe anteriormente, durante el período oscuro, cualquier marca de nucleótido se expulsa del nanoporo y, por tanto, se obtiene una información mínima sobre cualquier marca de nucleótido, además de para su uso en la normalización. Por lo tanto, las señales de voltaje de salida de las celdas durante el período oscuro pueden tener poco o ningún uso. During a dark period 530, the voltage signal 510 (V<liq>) applied to the counter electrode is greater than the voltage (V<pre>) applied to the working electrode, such that any label would be ejected out of the nanopore cylinder. When the switch 401 is opened, the voltage at the measurement node increases because the voltage level of the voltage signal 510 (V<liq>) is greater than V<pre>. After a voltage data point is captured (e.g., after a specified period of time), the switch 401 may be closed and the voltage at the measurement node will decrease back to V<pre> again. The procedure may be repeated to measure multiple voltage data points. Thus, multiple data points may be captured during the dark period, including a first delta point 532 and subsequent data points 534. As described above, during the dark period, any nucleotide labels are expelled from the nanopore, and therefore, minimal information about any nucleotide labels is obtained, other than for use in normalization. Therefore, the voltage signals output by the cells during the dark period may be of little or no use.
La FIG. 5 también muestra que durante el período brillante 540, aunque la señal de voltaje 510 (V<líq>) aplicada al contraelectrodo es menor que el voltaje (V<pre>) aplicado al electrodo de trabajo, no se produce ningún acontecimiento de paso (canal abierto). Por tanto, la resistencia del nanoporo es baja y la tasa de descarga del condensador integrador es alta. Como resultado, los puntos de datos captados, incluyendo un primer punto de datos 542 y puntos de datos 544 posteriores, muestran niveles de voltaje bajo. FIG. 5 also shows that during the bright period 540, although the voltage signal 510 (V<liq>) applied to the counter electrode is lower than the voltage (V<pre>) applied to the working electrode, no breakthrough event (open channel) occurs. Therefore, the nanopore resistance is low and the integrating capacitor discharge rate is high. As a result, the captured data points, including a first data point 542 and subsequent data points 544, show low voltage levels.
Se podría esperar que el voltaje medido durante un período brillante u oscuro sea aproximadamente el mismo para cada medición de una resistencia constante del nanoporo (por ejemplo, realizada durante un modo brillante de un ciclo de CA dado mientras una marca está en el nanoporo), pero este puede no ser el caso cuando la carga se acumula en el condensador de doble capa 424 (CDoble capa). Esta acumulación de carga puede provocar que la constante de tiempo de la celda de nanoporo se alargue. Como resultado, el nivel de voltaje se puede desplazar, provocando de este modo que el valor medido disminuya para cada punto de datos en un ciclo. Por tanto, dentro de un ciclo, los puntos de datos pueden cambiar un poco de un punto de datos a otro, como se muestra en la FIG. 5. One might expect that the voltage measured during a bright or dark period would be approximately the same for each measurement of a constant resistance of the nanopore (e.g., made during a bright mode of a given AC cycle while a tag is in the nanopore), but this may not be the case when charge builds up on the double-layer capacitor 424 (Double-layer). This charge buildup can cause the time constant of the nanopore cell to lengthen. As a result, the voltage level may shift, thereby causing the measured value to decrease for each data point in a cycle. Thus, within a cycle, the data points may change slightly from one data point to the next, as shown in FIG. 5.
4. Determinación de bases4. Determination of bases
Para cada celda de nanoporo utilizable del chip sensor de nanoporos, se puede ejecutar un modo de producción para secuenciar ácidos nucleicos. Los datos de salida de ADC captados durante la secuenciación se pueden normalizar para proporcionar una mayor exactitud. La normalización puede tener en cuenta efectos de desviación, tales como la conformación del ciclo y el desplazamiento del valor de referencia. Después de la normalización, los modos de realización pueden determinar agrupamientos de voltajes para los canales de paso, donde cada agrupamiento corresponde a una especie de marca diferente y, por tanto, a un nucleótido diferente. Los agrupamientos se pueden usar para determinar las probabilidades de que un voltaje dado corresponda a un nucleótido dado. Como otro ejemplo, los agrupamientos se pueden usar para determinar voltajes de corte para discriminar entre diferentes nucleótidos (bases). For each usable nanopore cell of the nanopore sensor chip, a production mode can be run to sequence nucleic acids. ADC output data captured during sequencing can be normalized to provide increased accuracy. Normalization can account for drift effects such as cycle conformation and reference value shift. After normalization, the embodiments can determine voltage bins for the feedthrough channels, where each bin corresponds to a different label species and thus a different nucleotide. The bins can be used to determine the probabilities that a given voltage corresponds to a given nucleotide. As another example, the bins can be used to determine cutoff voltages to discriminate between different nucleotides (bases).
Se pueden encontrar otros detalles con respecto a la operación de secuenciación en, por ejemplo, la publicación de patente de EE. UU. n.° 2016/0178577 titulada "Nanopore-Based Sequencing With Varying Voltage Stimulus", la publicación de patente de EE. UU. n.° 2016/0178554 titulada "Nanopore-Based Sequencing With Varying Voltage Stimulus", la solicitud de patente de EE. UU. n.° 15/085.700 titulada "Non-Destructive Bilayer Monitoring Using Measurement Of Bilayer Response To Electrical Stimulus" y la solicitud de patente de EE. UU. n.° 15/085.713 titulada "Electrical Enhancement Of Bilayer Formation". Other details regarding the sequencing operation can be found in, for example, U.S. Patent Publication No. 2016/0178577 entitled "Nanopore-Based Sequencing With Varying Voltage Stimulus", U.S. Patent Publication No. 2016/0178554 entitled "Nanopore-Based Sequencing With Varying Voltage Stimulus", U.S. Patent Application No. 15/085,700 entitled "Non-Destructive Bilayer Monitoring Using Measurement Of Bilayer Response To Electrical Stimulus", and U.S. Patent Application No. 15/085,713 entitled "Electrical Enhancement Of Bilayer Formation".
111. Matriz de celdas de nanoporo111. Nanopore cell array
Cuando las celdas de nanoporo de secuenciación se disponen en el chip sensor de nanoporos, se pueden secuenciar muchas moléculas de ácido nucleico en paralelo. Cada celda puede tener algunos circuitos especializados (por ejemplo, un condensador integrador), pero también puede compartir algunos circuitos, por ejemplo, un ADC, una fuente de señales, un electrodo o un circuito de control. When nanopore sequencing cells are arranged on the nanopore sensor chip, many nucleic acid molecules can be sequenced in parallel. Each cell may have some specialized circuitry (e.g., an integrating capacitor), but they may also share some circuitry, such as an ADC, a signal source, an electrode, or a control circuit.
La FIG. 6 es una vista en sección transversal de una matriz 600 de celdas de nanoporo en un chip sensor de nanoporos de ejemplo, tal como la matriz de celdas de nanoporo 150 en el chip sensor de nanoporos 140 vista a lo largo de la línea A-A mostrada en la FIG. 1. La FIG. 6 muestra una pluralidad de celdas de nanoporo en una fila o una columna de una matriz 600 de celdas de nanoporo. Como se describe anteriormente con respecto a la FIG. 2, cada celda de nanoporos incluye un circuito eléctrico 622 integrado en el sustrato de silicio 630 y/o la capa dieléctrica 601 del chip sensor de nanoporos. Cada celda de nanoporo incluye un pocillo 605 respectivo formado por capas dieléctricas 601 y 604 y un electrodo de trabajo 602 en el fondo del pocillo 605. El pocillo 605 puede contener el volumen del electrólito 606. Se puede formar una bicapa lipídica 614 sobre la capa dieléctrica 604 y cubrir cada pocillo 605. La bicapa lipídica 614 incluye un nanoporo 616 en la parte superior de cada pocillo 605. La cámara de muestra 615 en la parte superior de la bicapa lipídica 614 se puede configurar para contener el electrólito a granel 608, que puede incluir las moléculas que se van a analizar y nucleótidos marcados con polímero o cebadores, como se describe anteriormente. Una molécula 670 que se va a analizar se puede unir al nanoporo 616, por ejemplo, por una interacción entre una polimerasa y la molécula 670). En algunos modos de realización, las paredes laterales 636 (tales como las paredes laterales 136 mostradas en la FIG. 1) se pueden incluir en la matriz 600 para separar grupos de celdas de nanoporo de modo que cada grupo pueda recibir una muestra diferente para su caracterización. En algunos modos de realización, el chip sensor de nanoporos puede incluir la placa de cubierta 630 que encierra la cámara de muestra 615. FIG. 6 is a cross-sectional view of a nanopore cell array 600 in an exemplary nanopore sensor chip, such as the nanopore cell array 150 in the nanopore sensor chip 140 viewed along line A-A shown in FIG. 1. FIG. 6 shows a plurality of nanopore cells in a row or a column of a nanopore cell array 600. As described above with respect to FIG. 2, each nanopore cell includes an electrical circuit 622 integrated into the silicon substrate 630 and/or the dielectric layer 601 of the nanopore sensor chip. Each nanopore cell includes a respective well 605 formed by dielectric layers 601 and 604 and a working electrode 602 at the bottom of well 605. Well 605 may contain the volume of electrolyte 606. A lipid bilayer 614 may be formed over dielectric layer 604 and cover each well 605. Lipid bilayer 614 includes a nanopore 616 at the top of each well 605. Sample chamber 615 on top of lipid bilayer 614 may be configured to contain bulk electrolyte 608, which may include the molecules to be analyzed and polymer-labeled nucleotides or primers, as described above. A molecule 670 to be analyzed may be bound to nanopore 616, for example, by an interaction between a polymerase and molecule 670. In some embodiments, side walls 636 (such as side walls 136 shown in FIG. 1 ) may be included in array 600 to separate groups of nanopore cells so that each group may receive a different sample for characterization. In some embodiments, the nanopore sensor chip may include cover plate 630 enclosing sample chamber 615.
Los contraelectrodos 610 de diferentes celdas de nanoporo se pueden disponer en la cámara de muestra 615 y se pueden conectar a la fuente de voltaje 628 para aplicar un V<líq>común a las celdas de nanoporo. Los contraelectrodos 610 para diferentes celdas de nanoporo se pueden conectar físicamente entre sí para formar un electrodo común. Los electrodos de trabajo 602 de diferentes celdas de nanoporo se pueden conectar a una fuente de voltaje común, o se pueden conectar independientemente a diferentes fuentes de voltaje. En algunos modos de realización, los circuitos eléctricos 622 de diferentes celdas de nanoporo se pueden conectar a un bus 660, y el nivel de voltaje en los condensadores integradores de las diferentes celdas de nanoporo se puede leer secuencialmente a través del bus 660 seleccionando secuencialmente las diferentes celdas de nanoporo como se describe en detalle a continuación. The counter electrodes 610 of different nanopore cells may be arranged in the sample chamber 615 and may be connected to the voltage source 628 to apply a common V to the nanopore cells. The counter electrodes 610 for different nanopore cells may be physically connected to each other to form a common electrode. The working electrodes 602 of different nanopore cells may be connected to a common voltage source, or they may be independently connected to different voltage sources. In some embodiments, the electrical circuits 622 of different nanopore cells may be connected to a bus 660, and the voltage level across the integrating capacitors of the different nanopore cells may be sequentially read via the bus 660 by sequentially selecting the different nanopore cells as described in detail below.
La FIG. 7 es una vista superior de una matriz de celdas de nanoporo 700 de ejemplo que incluye una matriz bidimensional de celdas de nanoporo 708. La matriz de celdas de nanoporo 700 puede incluir miles o incluso millones de celdas de nanoporo. Por ejemplo, en un modo de realización, la matriz de celdas de nanoporo 700 puede incluir 512x512 celdas de nanoporo dispuestas en 512 líneas y 512 columnas. En algunos modos de realización, la matriz de celdas de nanoporo 700 se puede agrupar en diferentes baterías 706, donde cada batería puede incluir un subconjunto de las celdas de nanoporo en la matriz de celdas de nanoporo 700. En algunos modos de realización, las celdas de nanoporo en cada columna de la matriz de celdas de nanoporo 700 se pueden agrupar entre sí, y los niveles de voltaje en los condensadores integradores de las celdas de nanoporo en cada columna se pueden muestrear y convertir por un ADC 712. Las celdas de nanoporo en una columna pueden compartir el mismo ADC para reducir el área global y el consumo de energía del chip sensor de nanoporos. FIG. 7 is a top view of an exemplary nanopore cell array 700 including a two-dimensional array of nanopore cells 708. The nanopore cell array 700 may include thousands or even millions of nanopore cells. For example, in one embodiment, the nanopore cell array 700 may include 512x512 nanopore cells arranged in 512 rows and 512 columns. In some embodiments, the nanopore cell array 700 may be grouped into different batteries 706, where each battery may include a subset of the nanopore cells in the nanopore cell array 700. In some embodiments, the nanopore cells in each column of the nanopore cell array 700 may be grouped together, and the voltage levels across the integrating capacitors of the nanopore cells in each column may be sampled and converted by an ADC 712. The nanopore cells in a column may share the same ADC to reduce the overall area and power consumption of the nanopore sensor chip.
Se pueden usar accionadores de fila y el circuito de precarga 718 para precargar selectivamente las celdas de nanoporo en una o más filas (por ejemplo, cerrando el conmutador 401 de la FIG. 4 para conectar las celdas de nanoporo en una o más filas a V<pre>usando líneas de selección de fila (o líneas de palabra) 714). Se pueden usar también accionadores de fila y el circuito de precarga 718 para seleccionar secuencialmente cada fila usando líneas de selección de fila (es decir, líneas de palabra) 714. Los condensadores integradores de las celdas de nanoporo en la fila seleccionada se pueden conectar a las líneas de columna 716 correspondientes (por ejemplo, a través de un conmutador (no mostrado) entre el condensador integrador en el chip 408 (ncon) y el ADC 410, o a través del dispositivo de paso 406 si el condensador integrador en el chip 408 (ncon) no se usa). Las señales de voltaje de las celdas de nanoporo en la fila seleccionada se pueden procesar opcionalmente (por ejemplo, detectarse y amplificarse) por los amplificadores de columna 720 correspondientes, y convertirse en salidas digitales por los ADC 712 correspondientes. En algunos modos de realización, se podrían atender múltiples columnas por el mismo amplificador de columna y ADC. Row drivers and precharge circuitry 718 may be used to selectively precharge nanopore cells in one or more rows (e.g., by closing switch 401 of FIG. 4 to connect nanopore cells in one or more rows to V<pre>using row select lines (or word lines) 714). Row drivers and precharge circuitry 718 may also be used to sequentially select each row using row select lines (i.e., word lines) 714. Integrating capacitors for the nanopore cells in the selected row may be connected to corresponding column lines 716 (e.g., via a switch (not shown) between the on-chip integrating capacitor 408 (ncon) and the ADC 410, or via the pass-through device 406 if the on-chip integrating capacitor 408 (ncon) is not used). The voltage signals from the nanopore cells in the selected row may optionally be processed (e.g., detected and amplified) by corresponding column amplifiers 720, and converted to digital outputs by corresponding ADCs 712. In some embodiments, multiple columns could be served by the same column amplifier and ADC.
La FIG. 8 es un esquema de una matriz de celdas de nanoporo 800 de ejemplo que incluye una matriz bidimensional de celdas de nanoporo 802. La matriz de celdas de nanoporo 800 puede incluir todas las celdas de nanoporo de un chip sensor de nanoporos, o puede incluir solo un subconjunto (por ejemplo, una batería) de las celdas de nanoporo de un chip sensor de nanoporos. El electrodo de trabajo de cada celda de nanoporo 802 se puede conectar a una fuente de voltaje (por ejemplo, V<pre>de la FIG. 4) (no mostrado), y el contraelectrodo de cada celda de nanoporo 802 se puede conectar a una señal V<líq común>. La matriz de celdas de nanoporo 800 incluye una pluralidad de líneas de columna 820, cada línea de columna 820 acoplada a celdas de nanoporo 802 en una misma columna y acoplada a un ADC 840. La matriz de celdas de nanoporo 800 incluye M filas de celdas de nanoporo 802, donde cada una de las M filas se puede seleccionar por las líneas de selección de fila 810-0 a 810-M-1. FIG. 8 is a schematic of an exemplary nanopore cell array 800 including a two-dimensional array of nanopore cells 802. The nanopore cell array 800 may include all of the nanopore cells of a nanopore sensor chip, or may include only a subset (e.g., a battery) of the nanopore cells of a nanopore sensor chip. The working electrode of each nanopore cell 802 may be connected to a voltage source (e.g., V<pre> of FIG. 4) (not shown), and the counter electrode of each nanopore cell 802 may be connected to a common V<liq> signal. The nanopore cell array 800 includes a plurality of column lines 820, each column line 820 coupled to nanopore cells 802 in a same column and coupled to an ADC 840. The nanopore cell array 800 includes M rows of nanopore cells 802, where each of the M rows can be selected by the row selection lines 810-0 to 810-M-1.
Durante el proceso de secuenciación, un condensador integrador de cada celda de nanoporo 802 se puede precargar en primer lugar por una fuente de voltaje V<pre>aplicada al electrodo de trabajo (por ejemplo, a través del conmutador 401 como se muestra en la FIG. 4), y se puede aplicar la señal V<líq>común a los contraelectrodos de las celdas de nanoporo 802, como se describe anteriormente. Después de que los condensadores integradores en las celdas de nanoporo 802 se han cargado/descargado, cada una de las M filas se puede seleccionar secuencialmente para conectar los condensadores integradores de las celdas de nanoporo en una fila a las líneas de columna correspondientes y los ADC correspondientes. Los condensadores integradores se pueden amortiguar para evitar el acoplamiento a través de condensadores parásitos. Por tanto, el ADC 840, para una columna, puede muestrear y convertir secuencialmente los niveles de voltaje de los condensadores integradores de las celdas de nanoporo en la columna. During the sequencing process, an integrating capacitor of each nanopore cell 802 may first be precharged by a voltage source V<pre> applied to the working electrode (e.g., via switch 401 as shown in FIG. 4 ), and the common signal V<liq> may be applied to the counter electrodes of the nanopore cells 802, as described above. After the integrating capacitors in the nanopore cells 802 have been charged/discharged, each of the M rows may be sequentially selected to connect the integrating capacitors of the nanopore cells in a row to corresponding column lines and corresponding ADCs. The integrating capacitors may be buffered to prevent coupling through parasitic capacitors. Thus, the ADC 840, for a column, may sequentially sample and convert the voltage levels of the integrating capacitors of the nanopore cells in the column.
De esta manera, se puede captar un conjunto de muestras de datos de las celdas de nanoporo en una columna de una matriz de celdas de nanoporo después de cada operación de precarga y carga/descarga. Cuando se realizan múltiples operaciones de precarga y carga/descarga en los períodos brillantes y oscuros de un ciclo de CA, se pueden captar múltiples conjuntos de muestras de datos, donde cada conjunto de muestras de datos incluye una muestra de datos de cada una de las celdas de nanoporo en la columna. In this way, a set of data samples can be captured from the nanopore cells in a column of a nanopore cell array after each precharge and charge/discharge operation. When multiple precharge and charge/discharge operations are performed during the bright and dark periods of an AC cycle, multiple sets of data samples can be captured, with each set of data samples including a data sample from each of the nanopore cells in the column.
La FIG. 9 ilustra muestras de datos de ejemplo captadas de celdas de nanoporo en una columna de una matriz de celdas de nanoporo, tal como la matriz de celdas de nanoporo 800, durante un ciclo de CA. En la FIG. 9, el eje horizontal representa el tiempo durante el proceso de secuenciación. La FIG. 9 muestra que, durante el tiempo T<b>de un período brillante de un ciclo de CA, se puede captar un total de K muestras de cada celda de nanoporo por un ADC que atiende la columna. FIG. 9 illustrates example data samples captured from nanopore cells in a column of a nanopore cell array, such as the 800 nanopore cell array, during an AC cycle. In FIG. 9, the horizontal axis represents time during the sequencing process. FIG. 9 shows that, during the time T of a bright period of an AC cycle, a total of K samples can be captured from each nanopore cell by an ADC serving the column.
Como se describe anteriormente con respecto a la FIG. 8, una columna de la matriz de celdas de nanoporo puede incluir M celdas de nanoporo, cada una en una fila diferente. El ADC puede captar una muestra de datos para la celda de nanoporo en la fila 0, una muestra de datos para la celda de nanoporo en la fila 1, ..., y una muestra de datos para la celda de nanoporo en la fila M-1. Cada captación de ADC se puede controlar por una señal de reloj que es mucho más rápida que la señal de CA aplicada a los electrodos de las celdas de nanoporo. Después de que se ha muestreado una vez cada celda de nanoporo en la columna, la celda de nanoporo en la columna se puede precargar de nuevo por la fuente de voltaje V<pre>, y cargarse/descargarse por la señal V<líq>común. Posteriormente, se puede captar una segunda muestra de datos de cada una de las M celdas de nanoporo en la columna secuencialmente o en una tubería. El proceso de secuenciación se puede repetir para captar K muestras de cada una de las M celdas de nanoporo en la columna durante el período brillante. Como resultado, se puede captar un número total de MxK muestras de las M celdas de nanoporo en cada columna durante el tiempo T<b>del período brillante. Por tanto, la tasa de muestreo del ADC puede ser al menos M<x>K/T<b>para captar MxK muestras durante el tiempo T<b>del período brillante. Las muestras de datos se pueden captar de forma similar durante el período oscuro. As described above with respect to FIG. 8, a column of the nanopore cell array may include M nanopore cells, each in a different row. The ADC may capture one data sample for the nanopore cell in row 0, one data sample for the nanopore cell in row 1, ..., and one data sample for the nanopore cell in row M-1. Each ADC capture may be controlled by a clock signal that is much faster than the AC signal applied to the electrodes of the nanopore cells. After each nanopore cell in the column has been sampled once, the nanopore cell in the column may be pre-charged again by the voltage source V<pre>, and charged/discharged by the common signal V<liq>. Thereafter, a second data sample may be captured from each of the M nanopore cells in the column sequentially or in a pipeline. The sequencing process can be repeated to capture K samples from each of the M nanopore cells in the column during the bright period. As a result, a total number of MxK samples can be captured from the M nanopore cells in each column during the time T<b>of the bright period. Therefore, the sampling rate of the ADC can be at least M<x>K/T<b>to capture MxK samples during the time T<b>of the bright period. Data samples can be similarly captured during the dark period.
IV. Matrices de celdas de nanoporo en faseIV. Phased nanopore cell arrays
Como se analiza anteriormente, existe un límite superior para la tasa de muestreo posible debido, por ejemplo, a la velocidad limitada de muestreo y conversión de los convertidores de analógico a digital, y/o al ancho de banda limitado de los buses, dispositivos de almacenamiento de datos o circuitos de procesamiento de datos. Cuando todas las celdas de nanoporo en una columna se controlan por una señal V<líq>común, casi todos los datos útiles se captan durante el período brillante común, mientras que durante el período oscuro, es posible que se capten pocos o ningún dato útil. Por tanto, es posible que una porción significativa del ancho de banda de un circuito de muestreo y conversión de datos no se utilice para captar datos útiles, al menos durante el período oscuro. As discussed above, there is an upper limit to the possible sampling rate due to, for example, the limited sampling and conversion speed of analog-to-digital converters, and/or the limited bandwidth of buses, data storage devices, or data processing circuits. When all nanopore cells in a column are driven by a common V signal, almost all useful data is captured during the common bright period, while during the dark period, little or no useful data may be captured. Therefore, a significant portion of the bandwidth of a sampling and data conversion circuit may not be used to capture useful data, at least during the dark period.
Las técnicas divulgadas en el presente documento abordan los problemas anteriores e incrementan la tasa de muestreo eficaz por celda del circuito de muestreo y conversión aplicando señales de CA con diferentes fases a diferentes celdas de nanoporo en una columna. Como resultado, cuando algunas celdas de nanoporo están en el período oscuro, otras celdas de nanoporo están en el período brillante y se están muestreando por el circuito de muestreo y conversión compartido. Por ejemplo, en algunos modos de realización, las celdas de nanoporo en una columna se pueden organizar en dos o más grupos. Un V<líq>común se puede aplicar a los contraelectrodos de todas las celdas de nanoporo, y la fase de una señal V<pre>de CA aplicada a los electrodos de trabajo de las celdas de nanoporo en cada grupo de celdas de nanoporo se puede retrasar en un valor diferente. De esta manera, en cualquier momento dado, el circuito de muestreo y conversión de datos puede muestrear y convertir las señales de voltaje de salida de la porción de las celdas de nanoporo en una columna que están en el período brillante, muestreándose mínimamente el período oscuro, por ejemplo, solo para propósitos de normalización. Como tal, el muestreo y la conversión de datos se pueden realizar a una tasa mayor para cada celda de nanoporo en el período brillante. Además, debido a que el período oscuro solo se muestrea mínimamente, todos o casi todos los datos captados serían útiles, a diferencia del caso donde el período oscuro se muestrea a una tasa innecesariamente alta. The techniques disclosed herein address the above problems and increase the effective sampling rate per cell of the sampling and conversion circuit by applying AC signals with different phases to different nanopore cells in a column. As a result, when some nanopore cells are in the dark period, other nanopore cells are in the bright period and are being sampled by the shared sampling and conversion circuit. For example, in some embodiments, the nanopore cells in a column may be arranged in two or more groups. A common V may be applied to the counter electrodes of all nanopore cells, and the phase of an AC signal V applied to the working electrodes of the nanopore cells in each group of nanopore cells may be delayed by a different value. In this way, at any given time, the sampling and data conversion circuit can sample and convert the output voltage signals from the portion of the nanopore cells in a column that are in the bright period, with the dark period being minimally sampled, for example, only for normalization purposes. As such, the sampling and data conversion can be performed at a higher rate for each nanopore cell in the bright period. Furthermore, because the dark period is only minimally sampled, all or nearly all of the captured data would be useful, unlike where the dark period is sampled at an unnecessarily high rate.
A. Arquitectura A. Architecture
La FIG. 10 es un esquema de una matriz de celdas de nanoporo 1000 de ejemplo que incluye una matriz bidimensional de celdas de nanoporo 1002, de acuerdo con determinados aspectos de la presente divulgación. De forma similar a la matriz de celdas de nanoporo 800 de la FIG. 8, la matriz de celdas de nanoporo 1000 puede incluir todas las celdas de nanoporo de un chip sensor de nanoporos, o puede incluir solo un subconjunto de las celdas de nanoporo de un chip sensor de nanoporos. La matriz de celdas de nanoporo 1000 incluye una pluralidad de líneas de columna 1020, cada línea de columna 1020 acoplada a celdas de nanoporo 1002 en una misma columna y acoplada a un ADC 1040. La matriz de celdas de nanoporo 1000 incluye M filas de celdas de nanoporo 1002, donde cada una de las M filas se puede seleccionar por una línea de selección de fila 1010. Las celdas de nanoporo 1002 en la matriz de celdas de nanoporo 1000 se pueden organizar en N grupos, donde N puede ser cualquier número entre 2 y el número total de celdas de nanoporo en la columna. En un modo de realización, la matriz de celdas de nanoporo 1000 se puede organizar de modo que cada grupo de los N grupos puede incluir las celdas de nanoporo en M/N filas. En otros modos de realización, las celdas de nanoporo 1002 en la matriz de celdas de nanoporo 1000 se pueden organizar en N grupos de una forma diferente. Por ejemplo, algunos grupos pueden tener más celdas de nanoporo que otros grupos. En algunos modos de realización, las celdas de nanoporo en cada dos filas pueden estar en un mismo grupo. En algunos modos de realización, las celdas de nanoporo en pares alternos de filas pueden estar en un mismo grupo. En algunos modos de realización, las celdas de nanoporo en un grupo pueden estar en una misma región. En algunos modos de realización, las celdas de nanoporo en un grupo pueden no estar en una misma región y pueden estar separadas por celdas de nanoporo en otros grupos. FIG. 10 is a schematic of an exemplary nanopore cell array 1000 including a two-dimensional array of nanopore cells 1002, in accordance with certain aspects of the present disclosure. Similar to the nanopore cell array 800 of FIG. 8 , the nanopore cell array 1000 may include all of the nanopore cells of a nanopore sensor chip, or may include only a subset of the nanopore cells of a nanopore sensor chip. The nanopore cell array 1000 includes a plurality of column lines 1020, each column line 1020 coupled to nanopore cells 1002 in a same column and coupled to an ADC 1040. The nanopore cell array 1000 includes M rows of nanopore cells 1002, where each of the M rows can be selected by a row selection line 1010. The nanopore cells 1002 in the nanopore cell array 1000 can be organized into N groups, where N can be any number between 2 and the total number of nanopore cells in the column. In one embodiment, the nanopore cell array 1000 can be organized such that each group of the N groups can include the nanopore cells in M/N rows. In other embodiments, the nanopore cells 1002 in the nanopore cell array 1000 may be arranged into N groups in a different manner. For example, some groups may have more nanopore cells than other groups. In some embodiments, nanopore cells in every other row may be in the same group. In some embodiments, nanopore cells in alternating pairs of rows may be in the same group. In some embodiments, nanopore cells in one group may be in the same region. In some embodiments, nanopore cells in one group may not be in the same region and may be separated by nanopore cells in other groups.
El contraelectrodo de cada celda de nanoporo 1002 en la matriz de celdas de nanoporo 1000 se puede conectar a una señal V<líq>común (no mostrado), que puede ser un nivel de voltaje constante. Los electrodos de trabajo de las celdas de nanoporo 1002 en cada grupo de los N grupos se pueden conectar a una señal V<pre>común (1030), donde las señales V<pre>para los N grupos (es decir, V<pre>1, V<pre>2, ..., V<pre>N) se pueden aplicar independientemente a los N grupos y pueden estar en diferentes fases entre sí. Por ejemplo, las señales V<pre>para los N grupos pueden provenir de una misma fuente de señales pero se pueden retrasar de forma diferente por líneas o puertas de retraso. El retraso permite que el muestreo sea principalmente durante el período brillante, como se ilustra en la FIG. 11 a continuación. De esta manera, se puede lograr un control con una mayor granularidad recibiendo más grupos de celdas de nanoporo diferentes señales V<pre>. Debido a que la agrupación se realiza eléctricamente aplicando una misma señal V<pre>a las celdas de nanoporo en un grupo, la agrupación puede ser escalable y dinámicamente configurable cuando los electrodos de trabajo de las celdas de nanoporo son abordables independientemente a un nivel de subgrupo o a un nivel de celda. The counter electrode of each nanopore cell 1002 in the nanopore cell array 1000 may be connected to a common V signal (not shown), which may be a constant voltage level. The working electrodes of the nanopore cells 1002 in each group of the N groups may be connected to a common V signal (1030), where the V signals for the N groups (i.e., V 1 , V 2 , ..., V N ) may be independently applied to the N groups and may be in different phases relative to each other. For example, the V signals for the N groups may come from the same signal source but may be delayed differently by delay lines or gates. The delay allows sampling to be primarily during the bright period, as illustrated in FIG. 11 below. In this way, a more granular control can be achieved by receiving more groups of nanopore cells with different V<pre> signals. Because the grouping is performed electrically by applying a single V<pre> signal to the nanopore cells in a group, the grouping can be scalable and dynamically configurable when the working electrodes of the nanopore cells are independently addressable at the subgroup level or at the cell level.
En algunas implementaciones, cada celda de nanoporo puede incluir un conmutador. El conmutador se puede conectar al conmutador 401 de la FIG. 4, por ejemplo, anterior al conmutador 401 o en paralelo con el conmutador 401, pero con una señal de control coordinada. El conmutador puede conectar selectivamente el electrodo de trabajo de la celda de nanoporo (y la señal de voltaje V<pre>405) a un nivel de alto voltaje o un nivel de bajo voltaje. Por ejemplo, el conmutador se puede controlar por una señal de control de CA, tal como una señal de onda cuadrada o una de onda rectangular, de modo que el electrodo de trabajo se puede conectar al nivel de alto voltaje durante una porción de un ciclo de la señal de control de CA, y se puede conectar al nivel de bajo voltaje durante otra porción del ciclo. En algunos modos de realización, el conmutador se puede implementar usando dos conmutadores controlados por señales de control inversas, donde un conmutador se puede configurar para conectar el electrodo de trabajo al nivel de alto voltaje y el otro conmutador se puede configurar para conectar el electrodo de trabajo al nivel de bajo voltaje. La señal de control de CA puede ser una señal digital, tal como una señal de reloj digital. El nivel de alto voltaje puede ser mayor que la señal V<líq>común, y el nivel de bajo voltaje puede ser menor que la señal V<líq>común. Como tal, se puede aplicar eficazmente una señal V<pre>de CA a la celda de nanoporo. In some implementations, each nanopore cell may include a switch. The switch may be connected to switch 401 of FIG. 4, for example, upstream of switch 401 or in parallel with switch 401, but with a coordinated control signal. The switch may selectively connect the working electrode of the nanopore cell (and voltage signal V<pre>405) to a high voltage level or a low voltage level. For example, the switch may be controlled by an AC control signal, such as a square wave or a rectangular wave signal, such that the working electrode may be connected to the high voltage level during a portion of a cycle of the AC control signal, and may be connected to the low voltage level during another portion of the cycle. In some embodiments, the switch may be implemented using two switches controlled by inverse control signals, where one switch may be configured to connect the working electrode to the high voltage level and the other switch may be configured to connect the working electrode to the low voltage level. The AC control signal may be a digital signal, such as a digital clock signal. The high voltage level may be higher than the common signal V, and the low voltage level may be lower than the common signal V. As such, an AC signal V may be effectively applied to the nanopore cell.
Se pueden aplicar diferentes señales V<pre>a diferentes celdas de nanoporo aplicando diferentes señales de control de CA digitales (por ejemplo, con diferentes retrasos de fase) a las celdas de nanoporo. Algunas celdas de nanoporo pueden recibir señales de control de CA digitales con la misma fase para formar un grupo de los N grupos de celdas de nanoporo. De esta manera, un grupo puede incluir una o más celdas de nanoporo, y la agrupación de las celdas de nanoporo puede ser más flexible y dinámica. Por ejemplo, la agrupación se puede cambiar dinámicamente modificando las señales de control de CA digitales aplicadas a las celdas de nanoporo, y las celdas de nanoporo que no están en una misma vecindad pueden formar un grupo. Different V<pre>signals can be applied to different nanopore cells by applying different digital AC control signals (e.g., with different phase delays) to the nanopore cells. Some nanopore cells can receive digital AC control signals with the same phase to form a group of the N groups of nanopore cells. In this way, a group can include one or more nanopore cells, and the grouping of the nanopore cells can be more flexible and dynamic. For example, the grouping can be dynamically changed by modifying the digital AC control signals applied to the nanopore cells, and nanopore cells that are not in the same neighborhood can form a group.
En algunas implementaciones, el chip sensor de nanoporos puede incluir dos o más canales fluídicos diferentes encima de las celdas de nanoporo del chip sensor de nanoporos. Las celdas de nanoporo en el chip sensor de nanoporos se pueden agrupar en base a los canales fluídicos en los que están. Por ejemplo, las celdas de nanoporo en diferentes canales fluídicos se pueden asignar a diferentes grupos. En algunas implementaciones, se pueden agrupar las celdas de nanoporo en dos o más canales fluídicos. A continuación, se puede usar una señal V<líq>de CA diferente para accionar los contraelectrodos de las celdas de nanoporo en un grupo diferente. Por ejemplo, las señales de CA para accionar los contraelectrodos de las celdas de nanoporo en diferentes grupos pueden tener diferentes fases o retrasos. Como resultado de las diferentes fases de las señales V<líq>, las celdas de nanoporo en diferentes grupos pueden estar en el período brillante en diferentes momentos y, por tanto, las salidas de las celdas de nanoporo en diferentes grupos se pueden muestrear en diferentes momentos por un circuito de muestreo compartido. In some implementations, the nanopore sensor chip may include two or more different fluidic channels above the nanopore cells of the nanopore sensor chip. The nanopore cells in the nanopore sensor chip may be grouped based on the fluidic channels they are in. For example, nanopore cells in different fluidic channels may be assigned to different groups. In some implementations, nanopore cells may be grouped into two or more fluidic channels. A different AC signal V may then be used to drive the counter electrodes of nanopore cells in a different group. For example, the AC signals for driving the counter electrodes of nanopore cells in different groups may have different phases or delays. As a result of the different phases of the V<líq> signals, the nanopore cells in different groups may be in the bright period at different times, and thus the outputs of the nanopore cells in different groups can be sampled at different times by a shared sampling circuit.
B. Señales de CA de diferentes grupos de celdas que tienen diferentes fases B. AC signals from different groups of cells having different phases
La FIG. 11 ilustra señales (V<pre>) de CA de ejemplo para una matriz de celdas de nanoporo, tal como la matriz de celdas de nanoporo 1000, de acuerdo con determinados aspectos de la presente divulgación. Las celdas de nanoporo en la matriz de celdas de nanoporo 1000 que tiene M filas se pueden organizar en N grupos. La FIG. 11 incluye una pluralidad de gráficos, mostrando cada gráfico la señal de Ca aplicada a un grupo de celdas de los N grupos y los puntos de muestra correspondientes. El eje horizontal de la FIG. 11 representa el tiempo durante el proceso de secuenciación. FIG. 11 illustrates example AC signals (V<pre>) for a nanopore cell array, such as nanopore cell array 1000, in accordance with certain aspects of the present disclosure. The nanopore cells in the nanopore cell array 1000 having M rows may be arranged into N groups. FIG. 11 includes a plurality of graphs, each graph showing the Ca signal applied to a group of cells in the N groups and corresponding sample points. The horizontal axis of FIG. 11 represents time during the sequencing process.
Como se muestra en la FIG. 11, el contraelectrodo de cada celda de nanoporo en la matriz de celdas de nanoporo 1000 se puede conectar a una señal V<líq común>, que puede ser un nivel de voltaje constante. Los electrodos de trabajo de las celdas de nanoporo en cada grupo de los N grupos se pueden conectar a una señal V<pre>, donde las señales V<pre>para los N grupos (es decir, V<pre>1, V<pre>2, ..., V<pre>N) pueden estar en diferentes fases entre sí. As shown in FIG. 11, the counter electrode of each nanopore cell in the nanopore cell array 1000 may be connected to a common V<liq> signal, which may be a constant voltage level. The working electrodes of the nanopore cells in each group of the N groups may be connected to a V<pre> signal, where the V<pre> signals for the N groups (i.e., V<pre>1, V<pre>2, ..., V<pre>N) may be in different phases relative to each other.
En algunos modos de realización, las señales V<pre>para los N grupos se pueden retrasar cada una de forma incremental con respecto a las otras por un período de tiempo aproximadamente igual al período brillante. En el ejemplo mostrado en la FIG. 11, las N señales V<pre>son señales de CA rectangulares que alternan entre un nivel de alto voltaje y un nivel de bajo voltaje. Las señales V<pre>se retrasan entre sí de modo que, cuando las celdas de nanoporo en un grupo están en el período brillante (por ejemplo, cuando V<líq>es menor que V<pre>), las celdas de nanoporo en otros grupos están en el período oscuro. In some embodiments, the V<pre> signals for the N groups may each be incrementally delayed relative to each other by a period of time approximately equal to the bright period. In the example shown in FIG. 11 , the N V<pre> signals are rectangular AC signals that alternate between a high voltage level and a low voltage level. The V<pre> signals are delayed relative to each other such that when the nanopore cells in one group are in the bright period (e.g., when V<liq> is less than V<pre>), the nanopore cells in other groups are in the dark period.
Por ejemplo, para las celdas de nanoporo en el grupo 1, durante el período brillante, la señal V<pre>1 puede estar en el nivel de alto voltaje que puede ser mayor que el V<líq constante>, y el condensador integrador en cada celda de nanoporo en el grupo 1 que se controla por V<pre>1 se puede precargar en primer lugar al nivel de alto voltaje de V<pre>1. A continuación, se puede desconectar el condensador integrador de V<pre>1, y descargarse por la señal V<líq>de bajo nivel a través del nanoporo. La tasa de descarga depende de la resistencia del nanoporo, que puede variar cuando se fuerzan marcas de diferentes estructuras y tamaños hacia el cilindro del nanoporo como se describe anteriormente. El nivel de voltaje del condensador integrador se puede medir por el circuito de muestreo y conversión (por ejemplo, un ADC) después de que el condensador integrador se ha descargado durante un período de tiempo seleccionado. Se pueden captar una o más muestras de una celda de nanoporo de esta forma durante el período brillante. For example, for the nanopore cells in group 1, during the bright period, the signal V<pre>1 may be at the high voltage level which may be greater than the constant V<liq>, and the integrating capacitor in each nanopore cell in group 1 that is controlled by V<pre>1 may first be precharged to the high voltage level of V<pre>1. The integrating capacitor may then be disconnected from V<pre>1, and discharged by the low level signal V<liq> through the nanopore. The discharge rate depends on the resistance of the nanopore, which may be varied when marks of different structures and sizes are forced into the nanopore barrel as described above. The voltage level of the integrating capacitor may be measured by the sampling and conversion circuit (e.g., an ADC) after the integrating capacitor has discharged for a selected period of time. One or more samples may be captured from a nanopore cell in this manner during the bright period.
Cuando las celdas de nanoporo en el grupo 1 controladas por V<pre>1 están en un período brillante de anchura Tb, las celdas de nanoporo en los grupos 2-N controladas por las señales V<pre>2 a V<pre>N, respectivamente, pueden estar en un período oscuro. Durante este período de tiempo Tb, se pueden atender M/N, en lugar de M, celdas de nanoporo en una columna por un ADC. Por tanto, para captar K muestras para cada celda de nanoporo durante el período de tiempo Tb, se puede usar un ADC con una tasa de muestreo de (MxK/Tb)/N. En otras palabras, un ADC con una tasa de muestreo de MxK/Tb puede captar KxN (en lugar de K) muestras para cada celda de nanoporo durante el período de tiempo Tb. En consecuencia, cada celda de nanoporo se puede muestrear a una tasa más rápida (por ejemplo, N veces más rápido) y, por tanto, puede detectar acontecimientos que tienen duraciones más cortas. When the nanopore cells in group 1 driven by V<pre>1 are in a bright period of width Tb, the nanopore cells in groups 2-N driven by signals V<pre>2 to V<pre>N, respectively, may be in a dark period. During this time period Tb, M/N, instead of M, nanopore cells in a column can be attended to by an ADC. Thus, to capture K samples for each nanopore cell during the time period Tb, an ADC with a sampling rate of (MxK/Tb)/N can be used. In other words, an ADC with a sampling rate of MxK/Tb can capture KxN (instead of K) samples for each nanopore cell during the time period Tb. Consequently, each nanopore cell can be sampled at a faster rate (e.g., N times faster) and can therefore detect events that have shorter durations.
Después de que la señal V<pre>1 alterna al nivel de bajo voltaje, las celdas de nanoporo en el grupo 1 pueden entrar al período oscuro. Durante el período oscuro, la señal V<pre>1 puede estar en el nivel de bajo voltaje que puede ser menor que el nivel de V<líq>constante, y las marcas asociadas con los nucleótidos se pueden expulsar de los nanoporos. En diversos modos de realización, no se puede captar ninguna muestra de datos durante el período oscuro o se pueden captar una o más muestras de datos al final (o al comienzo) del período oscuro en cada ciclo de CA, por ejemplo, para propósitos de normalización. Para limitar además el muestreo en un período oscuro, solo se pueden muestrear algunos períodos oscuros, por ejemplo, cada nésimo período oscuro, tal como cada 8.° período oscuro. Para captar una muestra de datos en el período oscuro, el condensador integrador en cada celda de nanoporos en el grupo 1 que se controla por V<pre>1 en primer lugar se puede precargar al nivel de bajo voltaje de V<pre>1. A continuación, se puede desconectar el condensador integrador de V<pre>1, y cargarse por la señal V<líq>a través del nanoporo. La tasa de carga depende de la resistencia del nanoporo como se describe anteriormente. After the V<pre>1 signal alternates to the low voltage level, the nanopore cells in group 1 may enter the dark period. During the dark period, the V<pre>1 signal may be at the low voltage level which may be lower than the constant V<liq> level, and labels associated with the nucleotides may be expelled from the nanopores. In various embodiments, no data samples may be captured during the dark period, or one or more data samples may be captured at the end (or beginning) of the dark period in each AC cycle, e.g., for normalization purposes. To further limit sampling in a dark period, only some dark periods may be sampled, e.g., every nth dark period, such as every 8th dark period. To capture a data sample in the dark period, the integrating capacitor in each nanopore cell in group 1 that is controlled by V<pre>1 can first be precharged to the low voltage level of V<pre>1. The integrating capacitor can then be disconnected from V<pre>1, and charged by the V<liq> signal across the nanopore. The charging rate depends on the nanopore resistance as described above.
Después de que la señal V<pre>1 alterna al nivel de bajo voltaje, la señal V<pre>2 puede alternar del nivel de bajo voltaje al nivel de alto voltaje de modo que las celdas de nanoporo en el grupo 2 que se controlan por la señal V<pre>2 pueden entrar al período brillante, y las muestras de datos de las celdas de nanoporo en el grupo 2 se pueden captar por el circuito de muestreo y conversión compartido. Como se describe anteriormente, se pueden captar múltiples muestras de datos para cada celda de nanoporo en el grupo 2 durante el período brillante, y se pueden captar una o más muestras de datos de cada celda de nanoporo en el grupo 2 al final de un período oscuro durante uno o más ciclos de CA para propósitos de normalización. After the signal V<pre>1 alternates to the low voltage level, the signal V<pre>2 may alternate from the low voltage level to the high voltage level such that the nanopore cells in group 2 that are controlled by the signal V<pre>2 may enter the bright period, and data samples from the nanopore cells in group 2 may be captured by the shared sampling and conversion circuit. As described above, multiple data samples may be captured for each nanopore cell in group 2 during the bright period, and one or more data samples may be captured from each nanopore cell in group 2 at the end of a dark period during one or more AC cycles for normalization purposes.
Las celdas de nanoporo en cada uno de los grupos 3 a N pueden entrar al período brillante secuencialmente, y se pueden captar múltiples muestras de datos de cada una de las celdas de nanoporo en cada grupo por el circuito de muestreo y conversión compartido de la forma descrita anteriormente. Después de que las celdas de nanoporo del grupo N entran al período oscuro desde el período brillante, las celdas de nanoporo del grupo 1 pueden entrar de nuevo al período brillante en un nuevo ciclo de CA para el muestreo de datos de secuenciación. The nanopore cells in each of groups 3 to N may enter the bright period sequentially, and multiple data samples may be captured from each of the nanopore cells in each group by the shared sampling and conversion circuit in the manner described above. After the nanopore cells in group N enter the dark period from the bright period, the nanopore cells in group 1 may again enter the bright period in a new AC cycle for sequencing data sampling.
La FIG. 12 ilustra muestras de datos de ejemplo captadas de celdas de nanoporo en una columna de una matriz de celdas de nanoporo, tal como la matriz de celdas de nanoporo 1000, de acuerdo con determinados aspectos de la presente divulgación. El eje horizontal de la FIG. 12 representa el tiempo durante el proceso de secuenciación. Los cuadros grises en el diagrama indican acontecimientos de selección de fila. La columna de la matriz de celdas de nanoporo incluye M celdas de nanoporo, cada una en una fila diferente. Las M celdas de nanoporo se organizan en N grupos diferentes, con M/N celdas de nanoporo en cada grupo. Cuando las celdas de nanoporo en el grupo 1 (celdas de nanoporo en las filas 0 a M/N-1) sometidas a V<pre>1 están en el período brillante Tb, las celdas de nanoporo en los grupos 2 a N controladas por las señales V<pre>2 a V<pre>N, respectivamente, pueden estar en el período oscuro. Por lo tanto, durante el período brillante Tb, solo se pueden captar las salidas de las celdas de nanoporo en la fila 0 a M/N-1 por el ADC que atiende la columna. FIG. 12 illustrates example data samples captured from nanopore cells in a column of a nanopore cell array, such as nanopore cell array 1000, in accordance with certain aspects of the present disclosure. The horizontal axis of FIG. 12 represents time during the sequencing process. The gray boxes in the diagram indicate row selection events. The column of the nanopore cell array includes M nanopore cells, each in a different row. The M nanopore cells are organized into N different groups, with M/N nanopore cells in each group. When the nanopore cells in group 1 (nanopore cells in rows 0 to M/N-1) subjected to V<pre>1 are in the bright period Tb, the nanopore cells in groups 2 to N driven by signals V<pre>2 to V<pre>N, respectively, may be in the dark period. Therefore, during the bright period Tb, only the outputs from the nanopore cells in row 0 to M/N-1 can be captured by the ADC serving the column.
Cada una de las celdas de nanoporo en el grupo 1 se puede precargar al nivel alto de señal V<pre>1, y descargarse por la señal V<líq>a través del nanoporo. Después de un tiempo de descarga seleccionado, el ADC puede captar una muestra de datos para la celda de nanoporo en la fila 0, una muestra de datos para la celda de nanoporo en la fila 1, ..., y una muestra de datos para la celda de nanoporo en la fila M/N-1. Después de que cada celda en la columna que pertenece al grupo 1 se ha muestreado una vez, cada una de las celdas de nanoporo en el grupo 1 se puede precargar de nuevo al nivel alto de señal V<pre>1, y descargarse por la señal V<líq>a través del nanoporo. Después del tiempo de descarga seleccionado, el ADC puede captar una segunda muestra de datos para la celda de nanoporo en la fila 0, una segunda muestra de datos para la celda de nanoporo en la fila 1, ..., y una segunda muestra de datos para la celda de nanoporo en la fila M/N-1. El proceso de secuenciación se puede repetir para captar múltiples muestras de cada una de las M/N celdas de nanoporo en el grupo 1 durante el período brillante. Por tanto, para un ADC con una tasa de muestreo de M<x>K/T<b>, se puede captar un número total de NxK muestras de cada una de las M/N celdas en el grupo 1 durante el período brillante T<b>, en comparación con K muestras captadas de cada celda de nanoporo durante el período brillante Tb ilustrado en la FIG. 9. Por tanto, en comparación con las celdas de nanoporo en la matriz de celdas de nanoporo 800, cada celda de nanoporo en la matriz de celdas de nanoporo 1000 se puede medir N veces más rápido sin usar un circuito de muestreo y conversión más rápido y, por tanto, se pueden detectar acontecimientos que tienen duraciones más cortas. Each of the nanopore cells in group 1 may be precharged to the high signal level V<pre>1, and discharged by the signal V<liq> through the nanopore. After a selected discharge time, the ADC may capture a data sample for the nanopore cell in row 0, a data sample for the nanopore cell in row 1, ..., and a data sample for the nanopore cell in row M/N-1. After each cell in the column belonging to group 1 has been sampled once, each of the nanopore cells in group 1 may be precharged again to the high signal level V<pre>1, and discharged by the signal V<liq> through the nanopore. After the selected discharge time, the ADC may capture a second data sample for the nanopore cell in row 0, a second data sample for the nanopore cell in row 1, ..., and a second data sample for the nanopore cell in row M/N-1. The sequencing process may be repeated to capture multiple samples from each of the M/N nanopore cells in group 1 during the bright period. Thus, for an ADC with a sampling rate of M<x>K/T<b>, a total of NxK samples may be captured from each of the M/N cells in group 1 during the bright period T<b>, compared to K samples captured from each nanopore cell during the bright period Tb illustrated in FIG. 9. Therefore, compared to the nanopore cells in the 800 nanopore cell array, each nanopore cell in the 1000 nanopore cell array can be measured N times faster without using a faster sampling and conversion circuit, and therefore events having shorter durations can be detected.
De forma similar, cuando las celdas de nanoporo en el grupo 2 (o cualquiera de los grupos 3 a N) están en el período brillante y las celdas de nanoporo de otros grupos están en el período oscuro, se puede captar un número total de NxK muestras de cada una de las M/N celdas en el grupo 2 (o cualquiera de los grupos 3 a N) durante el período brillante T<b>. Similarly, when the nanopore cells in group 2 (or any of groups 3 to N) are in the bright period and the nanopore cells in other groups are in the dark period, a total number of NxK samples can be captured from each of the M/N cells in group 2 (or any of groups 3 to N) during the bright period T<b>.
De esta manera, el circuito de muestreo y conversión de datos puede muestrear y convertir las señales de salida de cada celda de nanoporo en la porción de las celdas de nanoporo a una tasa de muestreo mayor al atender solo una porción de las celdas de nanoporo en una columna en un momento dado, incluso si no se cambia la velocidad global del circuito de muestreo y conversión de datos. Por lo tanto, se pueden detectar acontecimientos que tienen duraciones más cortas. In this way, the sampling and data conversion circuit can sample and convert the output signals from each nanopore cell in the nanopore cell segment at a higher sampling rate by serving only a portion of the nanopore cells in a column at a given time, even if the overall speed of the sampling and data conversion circuit is not changed. Therefore, events with shorter durations can be detected.
Adicionalmente o de forma alternativa, la frecuencia de la señal de control de CA (por ejemplo, V<pre>) se puede incrementar con o sin incremento del número de muestras captadas durante el período brillante. Como resultado, la secuenciación de una molécula de polímero con un determinado número de unidades (por ejemplo, bases) puede llevar un período de tiempo más corto debido al ciclo de CA más corto. Además, debido a que la tasa de muestreo eficaz es mayor para cada celda de nanoporo con el ciclo de CA más corto, se pueden detectar acontecimientos que tienen duraciones más cortas. Additionally or alternatively, the frequency of the AC control signal (e.g., V<pre>) can be increased with or without increasing the number of samples captured during the bright period. As a result, sequencing a polymer molecule with a given number of units (e.g., bases) can take a shorter period of time due to the shorter AC cycle. Furthermore, because the effective sampling rate is higher for each nanopore cell with the shorter AC cycle, events with shorter durations can be detected.
Las FIGS. 11 y 12 ilustran modos de realización donde puede no haber superposición entre los períodos brillantes de diferentes señales V<pre>para diferentes grupos de celdas de nanoporo. Dichos modos de realización se pueden producir cuando el período brillante de cada señal de control de CA es más corto que el período del ciclo de CA dividido entre el número de grupos N, es decir, el ciclo de trabajo de la señal de control de CA no es mayor que 1/N. Por ejemplo, cuando las celdas de nanoporo en la matriz de celdas de nanoporo se organizan en dos grupos, y el ciclo de trabajo de la señal de control de CA no es mayor de un 50 %, es decir, el período brillante es igual a o más corto que el período oscuro, no se puede producir superposición entre los períodos brillantes de las señales V<pre>para los dos grupos de celdas de nanoporo. Aunque se muestra que las señales V<pre>para diferentes grupos en las FIGS. 11 y 12 tienen algunas propiedades similares (por ejemplo, los mismos niveles de voltaje, ciclo de trabajo y tiempo de ciclo) y se pueden derivar de una misma fuente de señales por diferentes retrasos, las señales V<pre>para diferentes grupos pueden ser independientes entre sí, porque el electrodo de trabajo de cada celda de nanoporo puede ser independiente de los electrodos de trabajo de otras celdas de nanoporo. Por tanto, las señales V<pre>pueden tener diferentes niveles de voltaje, ciclos de trabajo, tiempos de ciclo y fases. FIGS. 11 and 12 illustrate embodiments where there may be no overlap between the bright periods of different V<pre>signals for different groups of nanopore cells. Such embodiments may occur when the bright period of each AC control signal is shorter than the AC cycle period divided by the number of groups N, i.e., the duty cycle of the AC control signal is no greater than 1/N. For example, when the nanopore cells in the nanopore cell array are arranged in two groups, and the duty cycle of the AC control signal is no greater than 50%, i.e., the bright period is equal to or shorter than the dark period, no overlap may occur between the bright periods of the V<pre>signals for the two groups of nanopore cells. Although the V<pre>signals for different groups are shown in FIGS. 11 and 12 have some similar properties (e.g., the same voltage levels, duty cycle, and cycle time) and can be derived from the same signal source by different delays, the V<pre>signals for different groups can be independent of each other because the working electrode of each nanopore cell can be independent of the working electrodes of other nanopore cells. Therefore, the V<pre>signals can have different voltage levels, duty cycles, cycle times, and phases.
Como se describe anteriormente, en algunas implementaciones, cada celda de nanoporo puede incluir un conmutador, que se puede controlar por una señal de control de CA para conectar de forma alterna el electrodo de trabajo de la celda de nanoporo (y V<pre>) a un nivel de alto voltaje y a un nivel de bajo voltaje. El nivel de alto voltaje puede ser mayor que la señal V<líq común>, y el nivel de bajo voltaje puede ser menor que la señal V<líq común>. Por tanto, se pueden aplicar eficazmente señales V<pre>con diferentes fases a los electrodos de trabajo de diferentes grupos de celdas de nanoporo o de diferentes celdas de nanoporo individuales usando señales de control de CA digitales con diferentes fases para los conmutadores. As described above, in some implementations, each nanopore cell may include a switch, which may be controlled by an AC control signal to alternately connect the working electrode of the nanopore cell (and V<pre>) to a high voltage level and a low voltage level. The high voltage level may be higher than the common V<liq> signal, and the low voltage level may be lower than the common V<liq> signal. Thus, V<pre> signals with different phases may be efficiently applied to the working electrodes of different groups of nanopore cells or of different individual nanopore cells using digital AC control signals with different phases for the switches.
Como se describe anteriormente, en algunas implementaciones, las celdas de nanoporo en el chip sensor de nanoporo se pueden agrupar en base a los canales fluídicos en los que están, y se puede usar una señal V<líq>de CA diferente para accionar los contraelectrodos de las celdas de nanoporo en un grupo diferente, en lugar de usar una señal V<pre>de CA diferente para cada grupo como se describe con respecto a la FIG. 11. En dichas implementaciones, las señales V<líq>para diferentes grupos se pueden retrasar de forma diferente, de forma similar a la manera en que las señales V<pre>se configuran en la FIG. 11. Las salidas de las celdas de nanoporo en diferentes grupos se pueden muestrear en diferentes momentos por un circuito de muestreo compartido (por ejemplo, ADC) de una manera similar a la manera en que se muestrean las celdas de nanoporo como se describe con respecto a la FIG. 12. As described above, in some implementations, the nanopore cells in the nanopore sensor chip may be grouped based on the fluidic channels they are in, and a different AC signal V may be used to drive the counter electrodes of the nanopore cells in a different group, rather than using a different AC signal V for each group as described with respect to FIG. 11. In such implementations, the V signals for different groups may be delayed differently, similar to the manner in which the V signals are configured in FIG. 11. The outputs of the nanopore cells in different groups may be sampled at different times by a shared sampling circuit (e.g., ADC) in a manner similar to the manner in which the nanopore cells are sampled as described with respect to FIG. 12.
C. Muestreo adaptativo y selectivo C. Adaptive and selective sampling
En algunas implementaciones, las señales V<pre>se pueden configurar de modo que puede haber un período de superposición entre los períodos brillantes de diferentes señales V<pre>aplicadas a diferentes grupos de celdas de nanoporo. En dichas implementaciones, el circuito de muestreo y conversión de datos o un circuito de control se puede configurar para determinar de qué grupo de celdas de nanoporo se van a muestrear y convertir las señales de voltaje de salida durante cada período de superposición en diferentes ciclos de CA. In some implementations, the V<pre>signals may be configured such that there may be an overlap period between the bright periods of different V<pre>signals applied to different groups of nanopore cells. In such implementations, the data sampling and conversion circuit or a control circuit may be configured to determine which group of nanopore cells to sample from and convert the output voltage signals during each overlap period on different AC cycles.
La FIG. 13 muestra señales (V<pre>) de control de ejemplo para una matriz de celdas de nanoporo, tal como la matriz de celdas de nanoporo 1000, de acuerdo con determinados aspectos de la presente divulgación. El eje horizontal de la FIG. 13 representa el tiempo durante el proceso de secuenciación. Como se muestra en la FIG. 13, el contraelectrodo de cada celda de nanoporo en la matriz de celdas de nanoporo 1000 se puede conectar a una señal V<líq común>, que puede ser un nivel de voltaje constante. Los electrodos de trabajo de las celdas de nanoporo en cada grupo de los N grupos se pueden conectar a una señal V<pre>, donde las señales V<pre>para los N grupos (es decir, V<pre>1, V<pre>2, ..., V<pre>N) están en diferentes fases entre sí. Por ejemplo, cuando el ciclo de trabajo de las señales V<pre>es mayor que 1/N, una o más de las señales V<pre>para los N grupos se pueden retrasar cada una de forma incremental con respecto a las otras por un período de tiempo más corto que el período brillante. Como resultado, puede haber un período de superposición entre los períodos brillantes de diferentes señales V<pre>aplicadas a diferentes grupos de celdas de nanoporo. Una ventaja de dicha implementación es que se pueden usar ciclos de trabajo con un período brillante mayor que un 50 %, o las celdas se pueden dividir en más de dos grupos y controlarse por más de dos señales con diferentes fases. FIG. 13 shows example control signals (V<pre>) for a nanopore cell array, such as nanopore cell array 1000, in accordance with certain aspects of the present disclosure. The horizontal axis of FIG. 13 represents time during the sequencing process. As shown in FIG. 13, the counter electrode of each nanopore cell in the nanopore cell array 1000 may be connected to a common V<liq> signal, which may be a constant voltage level. The working electrodes of the nanopore cells in each group of the N groups may be connected to a V<pre> signal, where the V<pre> signals for the N groups (i.e., V<pre>1, V<pre>2, ..., V<pre>N) are in different phases with respect to each other. For example, when the duty cycle of the V<pre>signals is greater than 1/N, one or more of the V<pre>signals for the N groups can each be incrementally delayed relative to the others by a period of time shorter than the bright period. As a result, there can be an overlap period between the bright periods of different V<pre>signals applied to different groups of nanopore cells. An advantage of such an implementation is that duty cycles with a bright period greater than 50% can be used, or the cells can be divided into more than two groups and controlled by more than two signals with different phases.
Durante el período brillante sin superposición, cada celda de nanoporo en un grupo de la matriz de celdas de nanoporo 1000 que está en el período brillante se puede muestrear a una tasa mayor (como se describe anteriormente con respecto a las FIGS. 11 y 12) que la celda de nanoporo mostrada en la FIG. 8. En algunos casos, durante el período de superposición, el circuito de muestreo y conversión de datos o un circuito de control puede determinar dinámicamente el/los grupo(s) de celdas de nanoporo que se va(n) a muestrear, mientras se ignoran las señales de salida de otro(s) grupo(s) de celdas de nanoporo que están en el período brillante de superposición. En algunos casos, durante el intervalo de superposición, la tasa de muestreo de las celdas de nanoporo en diferentes grupos en el período brillante se puede reducir puesto que las celdas de nanoporo de más de un grupo están en el período brillante. Por ejemplo, en algunos casos, la tasa de muestreo de las celdas de nanoporo en diferentes grupos en el período brillante puede estar en una tasa igual pero reducida en relación con la tasa de muestreo cuando solo un grupo está en un período brillante. En otros casos, la tasa de muestreo de las celdas de nanoporo en diferentes grupos en el período brillante puede estar en tasas reducidas y diferentes. During the non-overlapping bright period, each nanopore cell in a group of the nanopore cell array 1000 that is in the bright period may be sampled at a higher rate (as described above with respect to FIGS. 11 and 12) than the nanopore cell shown in FIG. 8. In some cases, during the overlap period, the sampling and data conversion circuit or a control circuit may dynamically determine the group(s) of nanopore cells to be sampled, while ignoring output signals from other group(s) of nanopore cells that are in the overlapping bright period. In some cases, during the overlap interval, the sampling rate of nanopore cells in different groups in the bright period may be reduced since nanopore cells from more than one group are in the bright period. For example, in some cases, the sampling rate of nanopore cells in different groups during the bright period may be at an equal but reduced rate relative to the sampling rate when only one group is in a bright period. In other cases, the sampling rates of nanopore cells in different groups during the bright period may be at reduced and different rates.
D. Ventajas D. Advantages
Las técnicas descritas en la presente divulgación posibilitan controlar las celdas de nanoporo con una granularidad mayor, tal como a un nivel de celda individual o a un nivel de grupo, en lugar de aplicar una señal de control común a todas las celdas de nanoporo. Como tal, el número de celdas en el período brillante puede ser más constante a lo largo del tiempo, y la tasa de muestreo y conversión para cada celda en el período brillante se puede incrementar sin cambiar la velocidad global del circuito de muestreo y conversión de datos, porque los recursos disponibles se utilizan más eficazmente en cualquier momento dado. The techniques described in the present disclosure make it possible to control the nanopore cells at a finer granularity, such as at an individual cell level or at a group level, rather than applying a common control signal to all nanopore cells. As such, the number of cells in the bright period can be more constant over time, and the sampling and conversion rate for each cell in the bright period can be increased without changing the overall speed of the data sampling and conversion circuit, because the available resources are utilized more efficiently at any given time.
Además de incrementar la tasa de muestreo eficaz para cada celda de nanoporo para detectar acontecimientos que tienen duraciones cortas y reducir el tiempo de secuenciación como se describe anteriormente, se pueden lograr otras ventajas usando las técnicas divulgadas en el presente documento. Por ejemplo, el ancho de banda del circuito de muestreo y conversión de datos se puede utilizar completamente en cualquier momento dado para captar muestras de datos que sean útiles para la secuenciación. Por tanto, puede ser posible desarrollar un chip sensor de nanoporos con una mayor densidad o un mayor número de celdas. Adicionalmente o de forma alternativa, con datos reducidos muestreados captados de celdas en el período oscuro, se puede reducir la cantidad de datos que se van a transportar desde el chip sensor de nanoporos y procesar por circuitos de almacenamiento o procesamiento posteriores, lo que puede reducir el coste del sistema de secuenciación porque se pueden usar circuitos con menor rendimiento (por ejemplo, velocidad o ancho de banda) o capacidad (por ejemplo, espacio de memoria o canales de datos). In addition to increasing the effective sampling rate for each nanopore cell to detect events that have short durations and reducing sequencing time as described above, other advantages can be achieved using the techniques disclosed herein. For example, the bandwidth of the data sampling and conversion circuitry can be fully utilized at any given time to capture data samples that are useful for sequencing. Therefore, it may be possible to develop a nanopore sensor chip with a higher density or a greater number of cells. Additionally or alternatively, with reduced sampled data captured from cells in the dark period, the amount of data to be transported from the nanopore sensor chip and processed by subsequent storage or processing circuitry can be reduced, which can reduce the cost of the sequencing system because circuitry with lower performance (e.g., speed or bandwidth) or capacity (e.g., memory space or data channels) can be used.
Además, debido a que algunas celdas de nanoporo están en el período oscuro mientras que otras celdas de nanoporo están en el período brillante durante el mismo tiempo y debido a que un V<líq>se aplica a (se comparte por) los contraelectrodos de todas las celdas, la corriente total en el contraelectrodo se puede reducir al menos parcialmente en cualquier momento dado. Esto se provoca por las polaridades opuestas de la corriente de las celdas en el período oscuro y la corriente de las celdas en el período brillante, donde los electrones que fluyen hacia el contraelectrodo y los electrones que fluyen fuera del electrodo pueden provocar que la corriente neta en el contraelectrodo se reduzca. Además, debido a la naturaleza de CA de la señal V<pre>, la corriente en el contraelectrodo y el electrodo de trabajo para cada celda también se puede equilibrar a lo largo del tiempo. Furthermore, because some nanopore cells are in the dark period while other nanopore cells are in the bright period for the same amount of time, and because a given V<liq> is applied to (shared by) the counter electrodes of all cells, the total current at the counter electrode can be at least partially reduced at any given time. This is caused by the opposite polarities of the dark-period cell current and the bright-period cell current, where electrons flowing into the counter electrode and electrons flowing away from the electrode can cause the net current at the counter electrode to be reduced. Furthermore, due to the AC nature of the V<pre> signal, the current at the counter electrode and the working electrode for each cell can also be balanced over time.
En algunas implementaciones, en lugar de ser un nivel de voltaje constante, la señal V<líq>aplicada a los contraelectrodos también puede ser una señal de CA, pero a una frecuencia menor que la señal V<pre>aplicada a los electrodos de trabajo. De esta manera, incluso si existe algún desequilibrio entre la corriente de las celdas en el período oscuro y la corriente de las celdas en el período brillante (por ejemplo, debido a que el ciclo de trabajo es diferente de un 50 % y un número de grupos de celdas de nanoporo en el período oscuro puede ser diferente de un número de grupos de celdas de nanoporo en el período brillante) en un momento dado, la corriente global en el contraelectrodo se puede equilibrar a lo largo del tiempo. Como tal, se puede reducir la caída de voltaje en el contraelectrodo y, por tanto, el desplazamiento del voltaje de salida. In some implementations, instead of being a constant voltage level, the signal V<liq> applied to the counter electrodes may also be an AC signal, but at a lower frequency than the signal V<pre> applied to the working electrodes. In this way, even if there is some imbalance between the cell current in the dark period and the cell current in the bright period (e.g., because the duty cycle is different from 50% and a number of nanopore cell groups in the dark period may be different from a number of nanopore cell groups in the bright period) at a given time, the overall current at the counter electrode may be balanced over time. As such, the voltage drop across the counter electrode and thus the output voltage offset may be reduced.
V. Control del intervalo de entrada del ADCV. ADC Input Interval Control
En muchos casos, los niveles de voltaje en el condensador integrador (por ejemplo, el condensador integrador 408 (ncon)) que se van a medir se pueden agrupar dentro de determinados intervalos más pequeños. Por tanto, es posible que el intervalo dinámico de un ADC no se utilice completamente si el intervalo de entrada del ADC es fijo. Para utilizar completamente el intervalo dinámico del ADC, el intervalo de entrada del ADC se puede cambiar dinámicamente cambiando de forma adaptativa los niveles de referencia del ADC en base al nivel de voltaje estimado que se va a medir. In many cases, the voltage levels across the integrating capacitor (e.g., integrating capacitor 408 (ncon)) to be measured can be grouped within certain smaller intervals. Therefore, the dynamic range of an ADC may not be fully utilized if the ADC input range is fixed. To fully utilize the ADC's dynamic range, the ADC input range can be dynamically changed by adaptively changing the ADC reference levels based on the estimated voltage level to be measured.
En un ADC, el intervalo de entrada de escala completa y el voltaje de modo común del ADC pueden depender de los niveles de referencia del ADC, tal como el nivel de referencia positivo (V<refp>) y el nivel de referencia negativo (V<refn>). El voltaje de modo común puede ser el promedio de V<refp>y V<refn>. Cuando una señal que se va a muestrear por el ADC está en un nivel de voltaje cercano a Vrefn, la entrada del ADC puede estar cercana a una escala cero, es decir, la salida del ADC puede representar un valor cercano al valor más bajo posible; el código de salida exacto puede depender del esquema de codificación del ADC, que puede incluir, por ejemplo, binario recto, binario desviado, complemento de dos, etc. In an ADC, the full-scale input range and the ADC common-mode voltage may depend on the ADC reference levels, such as the positive reference level (V<refp>) and the negative reference level (V<refn>). The common-mode voltage may be the average of V<refp> and V<refn>. When a signal to be sampled by the ADC is at a voltage level near Vrefn, the ADC input may be close to zero scale, that is, the ADC output may represent a value close to the lowest possible value; the exact output code may depend on the ADC coding scheme, which may include, for example, straight binary, shifted binary, two's complement, and so on.
Cuando una señal que se va a muestrear por el ADC está en un nivel de voltaje cercano a Vrefp, la entrada del ADC puede estar cercana a una escala completa, y la salida del ADC puede representar un valor cercano al valor más alto posible. Para utilizar completamente el intervalo dinámico del ADC (es decir, el intervalo de amplitudes de señal que el ADC puede resolver), es deseable que el nivel de señal de entrada se distribuya más completamente entre Vrefp y Vrefn, en lugar de agruparse dentro de determinados intervalos más pequeños. Para un ADC de 8 bits, si el nivel de señal de entrada está entre 0 V y 1 V, Vrefp se puede establecer en 1 V y Vrefn se puede establecer en 0 V; y el ADC puede diferenciar dos niveles de señal con una diferencia mayor que aproximadamente 4 mV. Si el nivel de señal de entrada está entre 0,25 V y 0,5 V, Vrefp se puede establecer en 0,5 V y Vrefn se puede establecer en 0,25 V; y el ADC puede diferenciar dos niveles de señal con una diferencia mayor que aproximadamente 1 mV. When a signal to be sampled by the ADC is at a voltage level near Vrefp, the ADC input can be close to full scale, and the ADC output can represent a value close to the highest possible value. To fully utilize the dynamic range of the ADC (i.e., the range of signal amplitudes that the ADC can resolve), it is desirable for the input signal level to be more completely distributed between Vrefp and Vrefn, rather than bunched up within certain smaller ranges. For an 8-bit ADC, if the input signal level is between 0 V and 1 V, Vrefp can be set to 1 V and Vrefn can be set to 0 V; and the ADC can differentiate two signal levels with a difference greater than about 4 mV. If the input signal level is between 0.25 V and 0.5 V, Vrefp can be set to 0.5 V and Vrefn can be set to 0.25 V; and the ADC can differentiate two signal levels with a difference greater than about 1 mV.
Sin embargo, como se muestra en la FIG. 11 o 13, en algunos casos, es posible que los niveles de voltaje de los condensadores integradores que se van a muestrear por el ADC no se distribuyan en el intervalo completo entre el nivel de bajo voltaje y el nivel de alto voltaje de las señales V<pre>. Por tanto, con niveles de referencia fijos (V<refp>y Vrefn) del ADC, es posible que el intervalo dinámico del ADC no se utilice completamente ya que los códigos de salida pueden incluir solo una porción de todos los códigos posibles (por ejemplo, 256 códigos diferentes para un ADC de 8 bits) o, en otras palabras, es posible que los niveles de señal no se resuelvan con la máxima resolución posible del ADC. However, as shown in FIG. 11 or 13, in some cases, the voltage levels of the integrating capacitors to be sampled by the ADC may not be distributed over the full range between the low voltage level and the high voltage level of the V<pre> signals. Therefore, with fixed reference levels (V<refp> and Vrefn) of the ADC, the dynamic range of the ADC may not be fully utilized since the output codes may include only a portion of all possible codes (e.g., 256 different codes for an 8-bit ADC), or in other words, the signal levels may not be resolved to the maximum possible resolution of the ADC.
La FIG. 14A muestra niveles de referencia fijos para un ADC en un chip sensor de nanoporos. Como se muestra en la FIG. 14A, los niveles de voltaje 1430 de los condensadores integradores que se van a muestrear por el ADC pueden estar cercanos al nivel de bajo voltaje 1410 de V<pre>o al nivel de alto voltaje 1420 de V<pre>. Por tanto, para incluir todos estos niveles de voltaje en el intervalo de entrada del ADC, V<refp>para el ADC se puede establecer en un nivel ligeramente por encima del nivel de alto voltaje 1420 de V<pre>para evitar la saturación (por ejemplo, provocada por sobreimpulso) y/o distorsión cerca de la entrada de escala completa. Vrefn para el a Dc se puede establecer en un nivel ligeramente por debajo del nivel de bajo voltaje 1410 de V<pre>. Sin embargo, ningún nivel de voltaje de los condensadores integradores se encuentra en la porción media (mostrada como la región estampada 1440) del intervalo de entrada. Por lo tanto, es posible que el intervalo medio del intervalo de entrada de escala completa del ADC no se use en absoluto, y es posible que el intervalo dinámico del ADC no se utilice completamente. Para utilizar completamente el intervalo dinámico del ADC, los niveles de referencia del ADC se pueden cambiar dinámicamente de modo que el intervalo de entrada del ADC no incluya la región estampada 1440. FIG. 14A shows fixed reference levels for an ADC on a nanopore sensor chip. As shown in FIG. 14A, the voltage levels 1430 of the integrating capacitors to be sampled by the ADC may be near the low voltage level 1410 of V<pre> or the high voltage level 1420 of V<pre>. Thus, to include all of these voltage levels in the input range of the ADC, V<refp> for the ADC may be set to a level slightly above the high voltage level 1420 of V<pre> to avoid saturation (e.g., caused by overshoot) and/or distortion near the full scale input. Vrefn for the a Dc may be set to a level slightly below the low voltage level 1410 of V<pre>. However, no voltage levels of the integrating capacitors are located in the middle portion (shown as the stamped region 1440) of the input range. Therefore, the middle range of the ADC's full-scale input range may not be used at all, and the ADC's dynamic range may not be fully utilized. To fully utilize the ADC's dynamic range, the ADC reference levels can be dynamically changed so that the ADC input range does not include the stamped region 1440.
La FIG. 14B ilustra niveles de referencia variables para un ADC en un chip sensor de nanoporos. Los niveles de referencia incluyen niveles de referencia Vrefp y Vrefn, que determinan el intervalo de entrada de escala completa y el voltaje de modo común del ADC. Los niveles de referencia Vrefp y Vrefn pueden cambiar con la señal V<pre>que provoca que la celda de nanoporo entre en períodos brillantes y oscuros. Por lo tanto, el intervalo de entrada de escala completa y/o el modo común del ADC pueden ser diferentes durante los períodos brillantes y oscuros. De esta forma, las señales de voltaje de salida de las celdas de nanoporo se pueden ajustar mejor dentro del intervalo de entrada de escala completa del ADC, en lugar de distribuirse solo dentro de determinados intervalos estrechos del intervalo de entrada de escala completa del ADC. FIG. 14B illustrates variable reference levels for an ADC on a nanopore sensor chip. The reference levels include reference levels Vrefp and Vrefn, which determine the full-scale input range and common-mode voltage of the ADC. The reference levels Vrefp and Vrefn may change with the V signal, which causes the nanopore cell to enter bright and dark periods. Therefore, the full-scale input range and/or common mode of the ADC may be different during the bright and dark periods. In this way, the output voltage signals of the nanopore cells can be better fit within the full-scale input range of the ADC, rather than being distributed only within certain narrow ranges of the ADC's full-scale input range.
Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 14B, para captar una muestra de datos 1430 en el período oscuro, se puede establecer Vrefp en un nivel 1450 por debajo de V<líq>. Se puede establecer Vrefn en un nivel 1460 por debajo del nivel de bajo voltaje 1455 de V<pre>, de modo que el intervalo de entrada del ADC (mostrado como la región sombreada) solo incluye regiones por debajo de V<líq>y entre el nivel 1450 y 1460, pero no incluye la región por encima del nivel 1450 donde no se encuentra dentro ningún nivel de voltaje de los condensadores integradores. Para captar muestras de datos en el período brillante, se puede establecer Vrefp en un nivel 1470 por encima del nivel de alto voltaje 1475 de V<pre>, y se puede establecer Vrefn en un nivel 1480 por encima de V<líq>. Por lo tanto, el intervalo de entrada del ADC (mostrado como la región sombreada) solo puede incluir las regiones por encima de V<líq>y entre los niveles 1470 y 1480, pero no incluye la región por debajo del nivel 1480 donde no se encuentra dentro ningún nivel de voltaje de los condensadores integradores. Se puede usar la misma configuración de referencia durante el período oscuro 1490 de un grupo cuando no se captan muestras de datos de celdas de nanoporo en el grupo y se captan muestras de datos de celdas de nanoporo en otros grupos que están en el período brillante. For example, as shown in FIG. 14B, to capture a data sample 1430 in the dark period, Vrefp may be set to a level 1450 below V<liq>. Vrefn may be set to a level 1460 below the low voltage level 1455 of V<pre>, such that the ADC input range (shown as the shaded region) only includes regions below V<liq> and between the level 1450 and 1460, but does not include the region above the level 1450 where no voltage levels of the integrating capacitors lie within. To capture data samples in the bright period, Vrefp may be set to a level 1470 above the high voltage level 1475 of V<pre>, and Vrefn may be set to a level 1480 above V<liq>. Therefore, the ADC input range (shown as the shaded region) can only include the regions above V<líq> and between the 1470 and 1480 levels, but does not include the region below the 1480 level where no voltage level of the integrating capacitors lies within. The same reference configuration can be used during the dark period 1490 of a cluster when no data samples are being collected from nanopore cells in the cluster, and data samples are being collected from nanopore cells in other clusters that are in the bright period.
De esta manera, el intervalo de entrada (y la entrada de modo común) del ADC se puede cambiar dinámicamente para incluir solo los intervalos en los que se pueden encontrar los niveles de voltaje de los condensadores integradores. Por lo tanto, los niveles de voltaje dentro del intervalo de entrada se pueden resolver con la máxima resolución posible del ADC. In this way, the input range (and common-mode input) of the ADC can be dynamically changed to include only the ranges within which the voltage levels of the integrating capacitors can be found. Thus, voltage levels within the input range can be resolved with the highest possible resolution of the ADC.
VI. Procedimiento de ejemplo de incremento de la tasa de muestreo por celdaVI. Example procedure for increasing the sampling rate per cell
La FIG. 15 es un diagrama de flujo 1500 que ilustra un procedimiento de ejemplo de secuenciación de ácidos nucleicos usando un sensor que incluye un conjunto de celdas, de acuerdo con determinados aspectos de la presente divulgación. El procedimiento ilustrado por el diagrama de flujo 1500 puede aplicar señales de CA con diferentes fases a diferentes grupos de celdas de nanoporo en un chip sensor de nanoporos. Como resultado, cuando algunas celdas de nanoporo están en el período oscuro, otras celdas de nanoporo están en el período brillante y se están muestreando por un circuito de muestreo y conversión compartido. Por tanto, el procedimiento puede reducir el número de celdas a las que se da servicio por el circuito de muestreo y conversión en cualquier instante de tiempo y, por tanto, incrementar la tasa de muestreo por celda sin usar un circuito de muestreo y conversión de datos más rápido. FIG. 15 is a flowchart 1500 illustrating an exemplary method of nucleic acid sequencing using a sensor including an array of cells, in accordance with certain aspects of the present disclosure. The method illustrated by flowchart 1500 may apply AC signals with different phases to different groups of nanopore cells in a nanopore sensor chip. As a result, when some nanopore cells are in the dark period, other nanopore cells are in the bright period and are being sampled by a shared sampling and conversion circuit. Therefore, the method may reduce the number of cells served by the sampling and conversion circuit at any instant in time and therefore increase the sampling rate per cell without using a faster sampling and data conversion circuit.
En el bloque 1510, un primer circuito, tal como el circuito 622 de la FIG. 6, puede aplicar una primera señal de CA a un primer grupo de celdas de un conjunto de celdas en un chip sensor de nanoporos. Como se describe anteriormente con respecto a la FIG. 10, el conjunto de celdas en el chip sensor de nanoporos se puede organizar en múltiples grupos, donde cada grupo puede ser independiente de otro grupo y tener un circuito correspondiente para aplicar una señal de CA al primer grupo de celdas de nanoporo. La señal de CA puede ser una onda rectangular y puede tener un ciclo de trabajo seleccionado. La señal de CA se puede aplicar a un electrodo de trabajo de cada celda de nanoporo en el grupo, por ejemplo, el electrodo de trabajo 402 de la celda de nanoporo 400 en la FIG. 4 o el electrodo de trabajo 602 en la FIG. 6. At block 1510, a first circuit, such as circuit 622 of FIG. 6, may apply a first AC signal to a first group of cells of a cell array in a nanopore sensor chip. As described above with respect to FIG. 10, the array of cells in the nanopore sensor chip may be organized into multiple groups, where each group may be independent of another group and have a corresponding circuit for applying an AC signal to the first group of nanopore cells. The AC signal may be a rectangular wave and may have a selected duty cycle. The AC signal may be applied to a working electrode of each nanopore cell in the group, for example, working electrode 402 of nanopore cell 400 in FIG. 4 or working electrode 602 in FIG. 6.
En el bloque 1520, un segundo circuito puede aplicar una segunda señal de CA a un segundo grupo de celdas del conjunto de celdas. En algunos modos de realización, la primera señal de CA y la segunda señal de CA pueden tener diferentes fases y se pueden derivar de una misma fuente de señales por diferentes retrasos. En algunos modos de realización, la primera señal de CA y la segunda señal de CA también pueden ser diferentes en al menos uno de amplitud, ciclo de trabajo o frecuencia. At block 1520, a second circuit may apply a second AC signal to a second group of cells in the cell array. In some embodiments, the first AC signal and the second AC signal may have different phases and may be derived from the same signal source by different delays. In some embodiments, the first AC signal and the second AC signal may also differ in at least one of amplitude, duty cycle, or frequency.
En el bloque 1530, durante una primera porción de la primera señal de CA, el primer grupo de celdas puede estar en el período brillante y un convertidor de analógico a digital puede muestrear las señales de salida del primer grupo de celdas. Durante el mismo período de tiempo, el segundo grupo de celdas puede estar en el período oscuro debido a la diferencia de fase entre la primera señal de CA y la segunda señal de CA, y las señales de salida del segundo grupo de celdas pueden no muestrearse por el convertidor de analógico a digital. Por tanto, durante la primera porción de la primera señal de CA, el convertidor de analógico a digital solo puede atender los primeros grupos de celdas. At block 1530, during a first portion of the first AC signal, the first group of cells may be in the bright period, and an analog-to-digital converter may sample the output signals from the first group of cells. During the same time period, the second group of cells may be in the dark period due to the phase difference between the first AC signal and the second AC signal, and the output signals from the second group of cells may not be sampled by the analog-to-digital converter. Therefore, during the first portion of the first AC signal, the analog-to-digital converter may only serve the first groups of cells.
En el bloque 1540, durante una segunda porción de la primera señal de CA, el primer grupo de celdas puede estar en el período oscuro y el convertidor de analógico a digital puede no muestrear las señales de salida del primer grupo de celdas. Durante el mismo período de tiempo, el segundo grupo de celdas puede estar en el período brillante y las señales de salida del segundo grupo de celdas se pueden muestrear por el convertidor de analógico a digital. Por tanto, durante la segunda porción de la primera señal de CA, el convertidor de analógico a digital solo puede atender los segundos grupos de celdas. En algunos modos de realización como se muestra en la FIG. 11, puede que no haya superposición entre el período brillante del primer grupo de celdas y el período brillante del segundo grupo de celdas. En otros modos de realización como el que se muestra en la FIG. 13, el período brillante del primer grupo de celdas y el período brillante del segundo grupo de celdas se pueden superponer parcialmente, y se pueden usar diferentes esquemas para determinar cómo las señales de salida de los dos grupos de celdas se pueden muestrear por el convertidor de analógico a digital, como se describe anteriormente con respecto a la FIG. At block 1540, during a second portion of the first AC signal, the first group of cells may be in the dark period and the analog-to-digital converter may not sample the output signals from the first group of cells. During the same time period, the second group of cells may be in the bright period and the output signals from the second group of cells may be sampled by the analog-to-digital converter. Thus, during the second portion of the first AC signal, the analog-to-digital converter may only serve the second groups of cells. In some embodiments as shown in FIG. 11 , there may be no overlap between the bright period of the first group of cells and the bright period of the second group of cells. In other embodiments as shown in FIG. 13, the bright period of the first group of cells and the bright period of the second group of cells may partially overlap, and different schemes may be used to determine how the output signals of the two groups of cells may be sampled by the analog-to-digital converter, as described above with respect to FIG.
13. 13.
Cabe señalar que aunque la FIG. 15 describe el procesamiento de datos como un procedimiento secuencial, muchas de las operaciones se pueden realizar en paralelo o simultáneamente. Además, se puede reorganizar el orden de las operaciones. Una operación puede tener etapas adicionales no incluidas en la figura. Algunas operaciones pueden ser opcionales y, por tanto, se pueden omitir en diversos modos de realización. Algunas operaciones descritas en un bloque se pueden realizar conjuntamente con las operaciones en otro bloque. Por ejemplo, algunas operaciones se pueden realizar en paralelo. Además, los modos de realización de los procedimientos se pueden implementar en equipo físico, programa informático, soporte lógico inalterable(firmware),programa informático intermedio(middleware),microcódigo, lenguajes de descripción de equipo informático o cualquier combinación de los mismos. It should be noted that although FIG. 15 depicts data processing as a sequential procedure, many of the operations can be performed in parallel or simultaneously. Furthermore, the order of the operations can be rearranged. An operation may have additional steps not shown in the figure. Some operations may be optional and therefore omitted in various embodiments. Some operations described in one block may be performed in conjunction with operations in another block. For example, some operations may be performed in parallel. Furthermore, the embodiments of the procedures may be implemented in hardware, computer software, firmware, middleware, microcode, hardware description languages, or any combination thereof.
VII. Sistema informáticoVII. Computer system
Cualquiera de los sistemas informáticos mencionados en el presente documento puede utilizar cualquier número adecuado de subsistemas. Los ejemplos de dichos subsistemas se muestran en la FIG. 16 en el sistema informático 10. En algunos modos de realización, un sistema informático incluye un único aparato informático, donde los subsistemas pueden ser los componentes del aparato informático. En otros modos de realización, un sistema informático puede incluir múltiples aparatos informáticos, siendo cada uno un subsistema, con componentes internos. Un sistema informático puede incluir ordenadores de escritorio y portátiles, tabletas, teléfonos móviles y otros dispositivos móviles. Any of the computing systems mentioned herein may utilize any suitable number of subsystems. Examples of such subsystems are shown in FIG. 16 in computing system 10. In some embodiments, a computing system includes a single computing apparatus, where the subsystems may be the components of the computing apparatus. In other embodiments, a computing system may include multiple computing apparatuses, each being a subsystem, with internal components. A computing system may include desktop and laptop computers, tablets, mobile phones, and other mobile devices.
Los subsistemas mostrados en la FIG. 16 se interconectan por medio de un bus de sistema 75. Se muestran subsistemas adicionales, tales como una impresora 74, teclado 78, dispositivo(s) de almacenamiento 79, monitor 76, que se acopla al adaptador de pantalla 82 y otros. Los periféricos y dispositivos de entrada/salida (E/S), que se acoplan al controlador de E/S 71, se pueden conectar al sistema informático por cualquier número de medios conocidos en la técnica, tales como el puerto de entrada/salida (E/S) 77 (por ejemplo, USB, FireWire®). Por ejemplo, se puede usar el puerto de E/S 77 o la interfaz externa 81 (por ejemplo, Ethernet, wifi, etc.) para conectar el sistema informático 10 a una red de área amplia tal como Internet, un dispositivo de entrada de ratón o un escáner. La interconexión por medio del bus de sistema 75 permite que el procesador central 73 se comunique con cada subsistema y controle la ejecución de una pluralidad de instrucciones desde la memoria de sistema 72 o el/los dispositivo(s) de almacenamiento 79 (por ejemplo, un disco fijo, tal como un disco duro, o disco óptico), así como el intercambio de información entre subsistemas. La memoria de sistema 72 y/o el/los dispositivo(s) de almacenamiento 79 pueden incorporar un medio legible por ordenador. Otro subsistema es un dispositivo de recopilación de datos 85, tal como una cámara, micrófono, acelerómetro y similares. Cualquiera de los datos mencionados en el presente documento se puede enviar desde un componente a otro componente y se puede enviar al usuario. The subsystems shown in FIG. 16 are interconnected by a system bus 75. Additional subsystems are shown, such as a printer 74, keyboard 78, storage device(s) 79, monitor 76, which couples to the display adapter 82, and others. Peripherals and input/output (I/O) devices, which couple to the I/O controller 71, may be connected to the computer system by any number of means known in the art, such as the input/output (I/O) port 77 (e.g., USB, FireWire®). For example, the I/O port 77 or the external interface 81 (e.g., Ethernet, Wi-Fi, etc.) may be used to connect the computer system 10 to a wide area network such as the Internet, a mouse input device, or a scanner. Interconnection via system bus 75 allows central processor 73 to communicate with each subsystem and control the execution of a plurality of instructions from system memory 72 or storage device(s) 79 (e.g., a fixed disk, such as a hard drive, or optical disk), as well as the exchange of information between subsystems. System memory 72 and/or storage device(s) 79 may incorporate a computer-readable medium. Another subsystem is a data collection device 85, such as a camera, microphone, accelerometer, and the like. Any of the data mentioned herein may be sent from one component to another component and may be sent to the user.
Un sistema informático puede incluir una pluralidad de los mismos componentes o subsistemas, por ejemplo, conectados entre sí por la interfaz externa 81, por una interfaz interna o por medio de dispositivos de almacenamiento extraíbles que se pueden conectar y retirar de un componente a otro componente. En algunos modos de realización, los sistemas, subsistema o aparatos informáticos se pueden comunicar sobre una red. En dichos casos, un ordenador se puede considerar un cliente y otro ordenador un servidor, donde cada uno puede ser parte de un mismo sistema informático. Un cliente y un servidor pueden incluir cada uno múltiples sistemas, subsistemas o componentes. A computer system may include a plurality of the same components or subsystems, for example, connected to one another by the external interface 81, by an internal interface, or by removable storage devices that can be connected and removed from one component to another. In some embodiments, the computer systems, subsystems, or apparatus may communicate over a network. In such cases, one computer may be considered a client and another computer a server, each of which may be part of a single computer system. A client and a server may each include multiple systems, subsystems, or components.
Los aspectos de los modos de realización se pueden implementar en forma de lógica de control usando un equipo físico (por ejemplo, un circuito integrado específico de la aplicación o una matriz de puertas programables en campo) y/o usando un programa informático de ordenador con un procesador en general programable de forma modular o integrada. Como se usa en el presente documento, un procesador incluye un procesador de un único núcleo, un procesador de múltiples núcleos en un mismo chip integrado o múltiples unidades de procesamiento en una única placa de circuito o en red. En base a la divulgación y las enseñanzas proporcionadas en el presente documento, un experto en la técnica conocerá y apreciará otras maneras y/o procedimientos para implementar los modos de realización de la presente invención usando equipo físico y una combinación de equipo físico y programa informático. Aspects of the embodiments may be implemented in the form of control logic using hardware (e.g., an application-specific integrated circuit or field-programmable gate array) and/or using computer software with a processor generally programmable in a modular or integrated manner. As used herein, a processor includes a single-core processor, a multi-core processor on a single integrated chip, or multiple processing units on a single circuit board or in a network. Based on the disclosure and teachings provided herein, one of skill in the art will know and appreciate other ways and/or methods of implementing embodiments of the present invention using hardware and a combination of hardware and software.
Cualquiera de los componentes o funciones de programa informático descritos en esta solicitud se puede implementar como código de programa informático para ejecutarse por un procesador usando cualquier lenguaje informático adecuado tal como, por ejemplo, Java, C, C++, C#, Objective-C, Swift, o lenguaje de programación tal como Perl o Python usando, por ejemplo, técnicas convencionales u orientadas a objetos. El código de programa informático se puede almacenar como una serie de instrucciones o comandos en un medio legible por ordenador para su almacenamiento y/o transmisión. Un medio legible por ordenador no transitorio adecuado puede incluir memoria de acceso aleatorio (RAM), una memoria de solo lectura (ROM), un medio magnético, tal como un disco duro, o un disquete, o un medio óptico, tal como un disco compacto (CD) o DVD (disco versátil digital), memoriaflashy similares. El medio legible por ordenador puede ser cualquier combinación de dichos dispositivos de almacenamiento o transmisión. Any of the computer program components or functions described in this application may be implemented as computer program code for execution by a processor using any suitable computer language such as, for example, Java, C, C++, C#, Objective-C, Swift, or a programming language such as Perl or Python using, for example, conventional or object-oriented techniques. The computer program code may be stored as a series of instructions or commands on a computer-readable medium for storage and/or transmission. A suitable non-transitory computer-readable medium may include random access memory (RAM), read-only memory (ROM), a magnetic medium, such as a hard drive or a floppy disk, or an optical medium, such as a compact disc (CD) or DVD (digital versatile disc), flash memory, and the like. The computer-readable medium may be any combination of such storage or transmission devices.
Dichos programas también se pueden codificar y transmitir usando señales portadoras adaptadas para su transmisión por medio de redes por cable, ópticas y/o inalámbricas que se ajusten a una variedad de protocolos, incluyendo Internet. Como tal, se puede crear un medio legible por ordenador usando una señal de datos codificada con dichos programas. Los medios legibles por ordenador codificados con el código de programa se pueden envasar en un dispositivo compatible o se pueden proporcionar por separado desde otros dispositivos (por ejemplo, por medio de una descarga de Internet). Cualquier medio legible por ordenador de este tipo puede residir en o dentro de un único producto informático (por ejemplo, un disco duro, un CD o un sistema informático completo) y puede estar presente en o dentro de diferentes productos informáticos dentro de un sistema o red. Un sistema informático puede incluir un monitor, impresora u otra pantalla adecuada para proporcionar cualquiera de los resultados mencionados en el presente documento a un usuario. Such programs may also be encoded and transmitted using carrier signals adapted for transmission over wired, optical, and/or wireless networks conforming to a variety of protocols, including the Internet. As such, a computer-readable medium may be created using a data signal encoded with such programs. Computer-readable media encoded with the program code may be packaged in a compatible device or may be provided separately from other devices (e.g., via an Internet download). Any such computer-readable medium may reside on or within a single computer product (e.g., a hard drive, a CD, or an entire computer system) and may be present on or within different computer products within a system or network. A computer system may include a monitor, printer, or other display suitable for providing any of the output mentioned herein to a user.
Cualquiera de los procedimientos descritos en el presente documento se puede realizar total o parcialmente con un sistema informático que incluya uno o más procesadores, que se pueden configurar para realizar las etapas. Por tanto, los modos de realización útiles para entender la invención se pueden referir a sistemas informáticos configurados para realizar las etapas de cualquiera de los procedimientos descritos en el presente documento, potencialmente realizando diferentes componentes una etapa respectiva o un grupo respectivo de etapas. Aunque se presentan como etapas numeradas, las etapas de los procedimientos en el presente documento se pueden realizar a un mismo tiempo o en un orden diferente. Adicionalmente, porciones de estas etapas se pueden usar con porciones de otras etapas de otros procedimientos. Además, la totalidad o porciones de una etapa pueden ser opcionales. Adicionalmente, cualquiera de las etapas de cualquiera de los procedimientos se puede realizar con módulos, unidades, circuitos u otros medios para realizar estas etapas. Any of the methods described herein can be performed in whole or in part by a computer system including one or more processors, which can be configured to perform the steps. Thus, embodiments useful for understanding the invention can relate to computer systems configured to perform the steps of any of the methods described herein, with different components potentially performing a respective step or group of steps. Although presented as numbered steps, the steps of the methods herein can be performed concurrently or in a different order. Additionally, portions of these steps can be combined with portions of other steps of other methods. Furthermore, all or portions of a step can be optional. Additionally, any of the steps of any of the methods can be performed with modules, units, circuits, or other means for performing these steps.
Los detalles específicos de modos de realización particulares se pueden combinar de cualquier forma adecuada sin apartarse del alcance de los modos de realización de la invención. Sin embargo, otros modos de realización de la invención se pueden referir a modos de realización específicos relacionados con cada aspecto individual, o combinaciones específicas de estos aspectos individuales. The specific details of particular embodiments may be combined in any suitable manner without departing from the scope of the embodiments of the invention. However, other embodiments of the invention may relate to specific embodiments related to each individual aspect, or specific combinations of these individual aspects.
La descripción anterior de modos de realización de ejemplo de la invención se ha presentado para los propósitos de ilustración y descripción. No se pretende que sea exhaustiva o que limite la invención a la forma precisa descrita, y son posibles muchas modificaciones y variaciones en vista de la enseñanza anterior. The foregoing description of exemplary embodiments of the invention has been presented for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise form described, and many modifications and variations are possible in light of the foregoing teaching.
Una mención de "un", "una" o "el/la" pretende querer decir "uno o más", a menos que se indique específicamente lo contrario. El uso de "o" pretende querer decir un "o incluyente" y no un "o excluyente" a menos que se indique específicamente lo contrario. La referencia a un "primer" componente no requiere necesariamente que se proporcione un segundo componente. Además, la referencia a un "primer" o un "segundo" componente no limita el componente al que se hace referencia a una localización particular a menos que se establezca expresamente. A reference to "a," "an," or "the" is intended to mean "one or more," unless specifically stated otherwise. The use of "or" is intended to mean "inclusive or," not "exclusive or," unless specifically stated otherwise. Reference to a "first" component does not necessarily require the provision of a second component. Furthermore, reference to a "first" or "second" component does not limit the component referenced to a particular location unless expressly stated.
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